автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Повышение работоспособности систем трубопроводных коммуникаций авиационных двигателей на основе конструктивно-технологического обеспечения совокупности их эксплуатационных характеристик

од

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ К.Э.ЦИОЛКОВСКОГО

на правах рукописи

* И Р Н О В АЛЕКСАНДР ФЕДОРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ СИСТЕМ ТРУБОПРОВОДНЫХ КОММУНИКАЦИЙ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СОВОКУПНОСТИ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

специальность 05.07.05 - тепловые двигатели летательных аппаратов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1995

Работа выполнена в Авиамоторной научно-технической комплексе "Союз".

Научный руководитель - доктор технически! наук, профессор Н.Н.Ильин.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, Петухов А.Н.

кандидат технических наук, профессор С.И.Павлов

Ведущая организация! Машиностроительное конструкторское бюро

Защита Состоится 21 июня 1995г. в 12 часов на заседании специализированного совета К.063.56.Об "Тепловые двигатели летательных аппаратов" в Московской Государственной авиационной технологической университете им. К.Э.Циолковского по адреоу« г.Москва, ул. Ульяновская, д.13, ауд;413.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Отзывы ва автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять По адреоу: 103767, Москва, ул. Петровка,27. МОДУ, ученому секретарю Совета,

Автореферат разослав 19 мая 1995г.

"Гранит"

ученый гчтштгртвш

Совета К.О63..56.0&. кандидат техвщва^ щщ

ОВДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Важнейшей задачей народного хозяйства страны на современном этапе является повышение качества выпускаемой продукции. Основным показателей качества авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) является их работоспособность, определяемая свойствами отдельных модулей, узлов, систем я агрегатов.

В современных авиационных двигателях системы трубопроводных коммуникаций (СТК), работающие все в более сложных условиях, часто определяют функционирование всего изделия в целом. В настоящее время при проектировании, доводке и даже вксплуата-ции изделий авиационной техники все еще не решен на требуемом уровне вопрос конструктивно-технологического обеспечения надежности их пневмогидравлическйх систем. Об этом свидетельствуют встречающиеся поломки СТК, каадая из которых может быть причиной аварии и даже катастрофы летательного аппарата.

В работах, посвященных проблемам прочности и герметичности указанных систем, на предприятиях изучены отдельные вопросы для некоторых конструкций трубопроводов, шор и соединений. Однако, комплексный подход к СТК о учетом особенностей их работы и совокупности конструктивно-технологических факторов практически отсутствует. Следует отметить, что о каждым новым-поколением двигателей авиационной техники условия работы СТК-резко усложняются из-за повышения давлений и температур, ресурса, агрессивности сред, радиации, количества включений,приемистости и т.д. Все ети факторы приводят к увеличению массы СТК.

Таким образом, проблема, повышения надежности и снижения массы СТК авиационных ГТД трь^ует дальнейших разработок рассматриваемого комплекса системы "трубопровод - опора- соединение " с учетом факторов, определяющих массу и напряженно-деформированное состояние нагруженных элементов СТК.

Цель работы. Повышение надежности и снижение массы СТК авиационных двигателей путем одновременного обеспечения совокупности эксплуатационных свойств СТК на основе комплексной программы обеспечения надежности (КЛОН) СТК, системного анализа конструктивных, технологических'.материаловедческих и эксплуатационных факторов, а такуе дефектов и отказов СТК.

Реализация данной цели предусматривает решение следующих задач: .

- формирование КПОН СТК;

- определение влияния конструктивно-техндЛогачеоких факторов на напряженя в СТК при сборке и в експяуатации;

- получение уточненного решения напряженно-деформированного состояния соединений СТК в условиях монтажа и обеспечения необходимой герметичности;

- разработка конструкции семейотва цельнометаллических ■ термостойких упруго-демпфирующих опор (УДО) с оценкой их влияния на снижение вибронапряжений в СТК авиационных двигателей!

- снижение массы СТК;

- деформационное упрочнение законцовок соединений стальных в титановых СТК для повышения совокупности их експлуата-ционных характеристик: усталостной прочности,несущей способности и герметичности;

- конотруктввно-технологическое обеспечение герметичности 'соединений СТК и прогнозирование их разгерметизации;

- разработка мероприятий по промышленному применению результатов исследования.

Методы исследования. Теоретические и вкспернментальные исследования включали определение статического и динамического нагружения СТК для различных материалов, толщин и типоразмеров трубопроводов с учетом влияния специально спроектированных высокотемпературных УДО и поверхностно-пластического деформирования (ПОД) соединений трубопроводов, а также прогнозирование процесса разгерметизации соединений СТК на основе спектральной диагностики их функционирования. Экспериментальные исследования проводились на специально разработанных установках, стендах и были посвящены проверке теоретических расчетов, анализу влияния комплекса конструктивно-технологических факторов на повышение надежности СТК и снижение ее массы. Правомерность полученных результатов исследований и теоретических предпосылок подтверждалась анализом испытаний моделей и имитаторов, а главное, натурными испытаниями на объектах авиационной техники. Теоретические и вкспериментальные данные обрабатывались о применением ^ВМ.

Научная • овизна. Доказана эффективность применения системного анализа отказов и неисправностей СТК в составе авиационных двигателей и выявлены основные направления повышения надежности СТК расчетными и конструктивно-технологическими ме-

тод&ми. Рассчитаны нагрузки пространственно-ориентированных СТК с учетом воздействия УДО, что дало возможность снизить напряже1шя в СТК. Методом конечных влементов (МКЭ)" выявлено распределение деформаций и напряжений в сферических- соединениях трубопроводов (СН), что позволило регламентировать их усилие затяжки при сборке. В конструкции СТК введены УДО с материалом металлорезиной (МР), работающие при высоких Температурах, и позволяющие снизить вибронапряжения в СТК авиационных двигателей. Представлен комплекс теоретических и экспериментальных исследований по выявлению возможностей применения различных материалов и толщин стенок труб при динамическом и статических нагруэсениях для минимизации массы СТК. Даны рекомендации по надежности СТК для различных изделий и их зон.Проведены теоретические и экспериментальные исследования по прогнозированию процессов герметизации и разгерметизации соединений СТК на основе спектральной диагностики их функционирования. Разработана структурная схема взаимодействия конструктивных и технологических факторов по управлению показателями надежности СТК.

Практическая ценность. Рачультаты работы были использованы при проектировании, доводке двигателей и подтверждены успешным проведением государственных испытаний на изделиях 65М, 15Б, 49, 59, 95 Авиамоторного научно-технического комплекса "Союз" (АМНТК "Союз") с внедрением в серийное производство на предприятиях МПО "Салют", ТМПО, ТКПБ и ЗЛОМ, а также приняты к внедрению на изделии 79 с передачей в серим на КМПО.

Семейство разработанных высокотемпературных УДО прошло внедрение в отрасли через ОСТ 1.10975-73 - ОСТ 1.10987-73, ОСТ 1.00615-73 и успешно эксплуатируется на изделиях ряда предприятий.

Экономический эффект от.¡внедрения результатов работы составляет 1,28 млн.рублей (в цьйах 1990г.).

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях (НТК) в КуАИ (1970-* 1972гг).: на 2-й и 3-й всесоюзных (ВНТК) по конструктивной прочности двигателей (Куйбышев, 1972 и 1974гг.),1-й ВНТК по демп-„фирухщим материалам (Куйбышев,1973г.),в "Школе по обмену опытом работы в области технологии монтзяа, контроля и испытания трубопроводных систем"(Ростов-на-Дону, 1974г.); НТК по выбору нал- • равления и защите ОСТа по УДО (Москва, 1971, 1975гг.);НТС МНПО "Союз", ЦИАМ, МКБ "Гранит", ЛИТО им.Климова, НИАТ, МАК, КуАИ, ЛГШ; Международном симпозиуме по -.зерхтвердым материалам, (Ки-

ев, 1981г.); Республиканской НТК "Разработка и внедрение прогрессивных технологических процессов мехвно-сборочного производства" ,(Севастополь, 1982г.);1-й и 2-й ВНГК "Технологическое управление триботехническиыи характеристиками узлов машин",(Севастополь, 198Эг.и Кишинев,1985г.), ВНГК "Теория и практика создания испытания и эксплуатации триботехнических систем".Андропов (1986г.), ВНГК "Методы и технические средства контроля герметичности", (Севастополь, 1989г.), на 8-х Плехановских чтениях (Москва, 1995г.).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 17 печатных работах.

• Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, сшска используемой литературы в количестве 156 наименований, приложений и содержит 149 страниц машинописного текста, 29 таблиц и 121 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулирована цель и дано краткое содержание работы.

В первой главе исследована статистика отказов и неисправностей различных изделий АМКЖ "Союз" и на базе , системного анализа выявлена доля отказов СТК с ранжированием их по физика явлений и номенклатурному составу. Доказано, что отказы в СТК занимают большую долю вссх отказов и неисправностей, имевших место на стадии опытной отработки изделий. Проведен обзор и анализ литературных источников, посвященных вопросам прочное-' ти и надежности работы трубопроводов и их соединений, конструкции опор, упрочняющих методов обработки поверхностей труб в местах соединений, гегматичности трубопроводов. Проведенный системный анализ отказов СТК изделий, а также анализ исследований других авторов показали, что основными факторами надежного функционирования СТК авиационного двигателестроения являются демпфирование колебаний, компенсация статического нагрухения, герметичность соединений и повышение их усталостной прочности.

Общие теоретические вопросы по колебаниям упругих стержней и их статическому нагружению. а также механика контактирования поверхностей даны в работах И.В.Ананьева, Э.Л.Аксельра-да, И.А.Биргера, И.В.Крагельского, Я.Г.Пановко, С.Д.Пономарева, В.Ы.Федосьева, Х.Юргенсояа и других авторов. Специфика ра-

боты трубопроводов авиационных коммуникаций, влияние конструктивных и технологических факторов на их работоспособность представлены в ■ работах Т.М.Бапггы, С.И.Иванова, Н.Н.Ильина, А.П.Ковревского, А.А.Комарова, Н.С.Кондрашова, Ю.И.Павлова, Е.А.Панина, В.М.Сапохникова, Н.И.Старцева, Л.А.Хворостухина и др. исследователей..

Вместе с тем непрерывно растущие требования, ужесточение и усложнение условий работы СТК делают необходимым дальнейшее развитие исследований с учетом комплексного подхода к проблеме Есей системы "трубопровод - опора-соединение" и отдельных ее составляющих.

Вторая глава посвящена расчетным методам повышения надежности СТК путем снижения их напряженного состояния и массы, а также прогнозированию процесса разгерметизации их соединений.

В главе дан анализ конкретных систем, работающих'при повышенных статических нагрузках. Показана необходимость расчетного определения уровня статических напряжений отдельных трубопроводов уже на ранней стадии проектирования. Предложен оценочный метод расчета возникающих напряжений многоопорных, пространственных коммуникаций при наличии технологических погрешностей сборки и при температурных воздействиях. Обычные методы расчета на прочность тдких. систем трудоемки, поэтому предлагаемый расчет, исходя из необходимости обеспечения его приемлемой точности, значительно упрощен допущением ортогональ-нальности и табличной формой вычисления.

Пользуясь теоремой Каотильяно, определены собственные коэффициенты влияния в данном сечении S посредством следующих зависимостей:

wPP

't/ron

1

[ арз ,

1

т{ amj

аи

Эт.

mj=0;

з m

aF

(1)

Pj=0;

где Р, я - усилия и моменты, действующие относительно соответствующих осей; в - коэффициенты влияния, в которых пер-'

вый и второй индексы указывают направление прилагаемой нагрузки и вызываемого перемещения, третий и четвертый - вид нагрузки и перемещения.-

Потенциальная энергия V, входящая в уравнения (1), суммируется из потенциальных энергий отдельных различно ориентированных участков. Если трубопровод содержит а, б и с участков, параллельных осям X, У и 2, то полную потенциальную энергию можно представить в виде:

а Э Ь а о э

0 = 1 Е Р Й+'Е Е У я + I Е и„й- (2)

По вычисленным собственным коэффициентам влияния определяются несобственные. Далее из системы канонических уравнений рассчитываются неизвестные реакции или деформации. В работе представлены таблицы для проведения наиболее трудоемких операций вычислений и дан пример расчета.'

Из условия создания необходимой герметичности и прочности' получено упругое и упруго-пластическое решение задачи определения напряженно-деформированного состояния сферического ниппеля (СН) стальных и титановых трубопроводов.методом конечных элементов (МКЭ)'. Такие соединения, обладая несомненными достоинствами по герметичности, самокошенсации угловых отклонений, технологичности и весу, применяются еще недостаточно, что связано со значительными.трудностями экспериментального и расчетного определения напряжений и деформаций. Для установлений допустимых значений момента затяжки ¡¡а, зависящего от сопротивления в резьбе и на торце уплотнительного кольца область за-концовки разбивалась на 578 слементов-торов с поперечным треугольным сечением с использованием формулы:

до . 2ы3/((р/ыг + дрЯа + /и;. (З)

где й2 и Р - средний диаметр и шаг резьбы, О - средний диаметр опорной поверхности кольца (под гайкой), ¡1^ и / - ко-вффициент трения в резьбе и на торце гайки, область законцовки законцовки разбивалась на 578 элементов-торов с поперечным треугольным сечением.

Зависимость перемещений точек (узлов) сферы от действующих сил принималась в виде Ск](и) = (Р), где [к] - известная матрица кес.-сости, зависящая от материала сферы и размеров сечений влеменив; (и) - вектор-столбец заданных (граничных) и неизвестных перемещений узлов модели; (Р) - вектор-столбец заданных внешних сил.

Для получения единственного решения модель закреплялась в сечоннл труси, исключая перемещение узлов этого сечения по оси г. Компоненты векторов-столбцов деформаций (с) .и напряжении (а) в центре тяжести элементов определялись из уравнений (с)-ЩКи)', (а)=[р]{с), где Ш, ГШ - матрицы деформирования и упругости.

Упруго-пластический расчет проведен по деформационной те-ерки пластичности, предложенной И.А.Виргером. Соотношения для упруго-пластического тела представлены уравнениями упругости, в которых пареметры Е* и Ц* зависят от напряженного состояния и поэтому переменны в различных точках тела:

Е*= Е^; Д* = [} - Е/Е

где Виц- модуль упругости и коэффициент Пуассона,

Е = о /Е - секущий модуль кривой деформирования при растяжении.

_* *

Поскольку параметры Ей (1 заранее неизвестны, то расчет выполнен методом последовательных приближений с окончанием его при достижении разности параметров для двух соседних приближений не более 5%.

По результатам расчета определены осевые, радиальные, окружные напряжения и показатель деформированного состояния в различных сечениях и зонах модели, а также по толщине стенки.

Результаты эксперимента и расчет показали, что герметичность соединения обеспечивается при затяжке с 11д= 30-60 Н.м. При этом пластические деформации охватывают 40-6556 объема за-концовки, распространяясь из зон контакта со штуцером и кольцом. В работе представлена кинетика_развития зон пластичности в СН от У3. Дальнейшее увеличение Мэ может привести к образованию "пластического шарнира" в среднем сечении законцовка.

С целью уменьшения вибронапряженности СТК проведен анализ демпфирующий свойств различных опор, а также определены характеристики разработанных УДО для одиночного и группового крепления подвесной и опорной конструкций, где упруго-деформирующий элемент, работающий на сжатие, выполнен в виде прокладки из материала МР направленной структуры, скрепленной со штампованной колодкой точечной электросваркой ОС).

Оптимизация- демпфирующих свойств системы "трубопровод -опора" проведена по предложенным А.М.Сойфером безразмерным експериментальнш критериям <?,£ ст п , где ^ - коэффициент поглощения, В - условный эф$ектив!;"й модуль упругости, г) -

внешня сила. В работе при проектировании опор использован метод В.А.Панина по созданию условий обеспечения максимальной длительности работы системы о уровнем напряжений ниже предельной рабочей настройки И. Влияние УДО на колебания системы оценивалось безразмерными параметрами самой опоры С, у и ее расположением - а при кинематическом возбуждении колебаний типового влемента в виде защемленной трубы с промежуточной УДО.

Условие оптимизации рабочей настройки системы определялось безразмерными параметрами относительного напряжения - 7 и относительной жесткости - С в начале (н) и конце (к) ее работы:

V (5н"*к) ЖМВ1С- <5)

Уменьшение массы СТК авиадвигателей, как и других узлов, всегда являлось одной из важных задач при проектировании и доводке. В связи с етим в рабрте рассмотрена возможность замены материала трубопроводов титановыми сплавами и уменьшения толщины их стенок при действиии постоянных и переменных нагрузок. Влияние такой замены на надежность систем рассмотрено при одинаковых условиях нагружения посредством- определения относительных напряжений в традацгэнной и облегченней конструкциях.

Статический расчет произведен щи наличии температурных и монтажных деформаций и показал, что утонение стенки стальной трубы вдвое практически не сказывается на напряженности (ат) трубопровода; замена стальных СТК титановыми уменьшает ат в 3,5 раза при одинаковых температурных воздействиях и на 70% при монтажных погрешностях.

- Влияние замены материала на колебания труб рассмотрено при кинематическом возбуадении на вынужденных колебаниях в условиях постоянства амплитуды мест крепления и одинаковых условий опираний. Результаты сравнительного расчета обычных стальных и титановых трубопроводов для различных типоразмеров и рабочих температур показали, что в титановых СТК уровень динамических напряжений (оа) меньше на 60-80%. Для титановых СТК с 5=0,5 мм уровень оа также ниже на 30-60%, а у стальных возрастает на 15%.'

Таким обоазом, замена стальных груб титановыми- дает существенное преимущество не только в снижении массы, но и в уменьшении напряжений при одинаковых условиях статического и динамического нагружений.

Для прогнозирования процесса герметизации соединений СТК принималось основное условие ее обеспечения, когда при взаимном внедрении неровностей в зоне уплотнения формируются микроканалы, создающие необходимый местный положительный перепад- давления рабочего.тела. Наиболее информативными и метрологически обеспеченными показателями гидрогазоплотности являются характеристик анизотропии следов неровностей, попавших в контакт > и ьысотной неоднородности совместной шероховатости г>. Вероятностный характер их изменения в герметизирующих сопряжениях при эксплуатации потребовал анализа проницаемости как стационарного случайного процесса, наиболее полно описываемого Нормированной корреляционной функцией (НКФ). Последняя определена исследованием флуктуация реализаций контролируемого параметра (КП) с помощью ЭВМ и специальных аналоговых коррелометров. Для подсчета НКФ использовалась автокорреляционная функция Кх ^.^.определяемая как математическое ожидание произве- -дения отклонения случайных функций в смежные моменты времени t и и среднеквадратичные отклонения сигнала ах (t^)^

гх = ^К^Н^х*'^ (б)

Показано, что с увеличением длительности эксплуатации т значение асимптотически уменьшается. Задаваясь т =

=солзГ,НКФ рассматривалась в зависимости от набора частот, определяя надежность герметизирующих сопряжений взаимодействием процессов накопления деформаций и развитием микроповреждений. Изменения в соотношении скоростей протекания данных процессов позволили выделить характерные этапы функционирования сопряжений и дать принципиальные основы прогнозирования отказов вследствие негерметичности соединений СТК.

В третьей главе изложены вопросы технологического управления надежностью СТК на основе системного анализа дефектов и отказов, а также структурной схемы взаимодействия факторов, состоящей из 16 формирующих и 1 выходного множества. Каждое формирующее множество представляет совокупность конструктивных, технологических, материаловедческих и эксплуатационных факторов и их взаимодействия. Разработанная структурная схема, позволила упорядочивать фактора и закодировать всю имеющуюся информацию о функционировании СТК.

В результате проведенных исследований разработана технология изготовления трубопроводов из титановых сплавов с учетом их специфических свойств. Изготовлены и прошли испытания свар-

вые титановые трубопроводы с применением аргонно-дуговой (Ар-ДЭС) и електронно-лучевой (ЭЛС) сварки. Пайка таких трубопроводов потребовала ' применения других припоев по сравнению со . стальными и более тщательной подгонки труб и арматуры для получения минимальных зазоров из-за большей жидкотекучести припоев. Изготовление титановых трубопроводов со сферическими и полусферическими законцовками потребовало введения в техпроцесс дополнительного перехода, твердой смазки перед первым и жидкой для всех последующих переходов штамповки, а также термообработки после каждого перехода.

Для рассмотрения возможности применения титановых СТК были проведены исследования по гибке титановых и стальных труб. Гибка выполнялась тремя способами с 'определением *Ш2 , коэффициента овальности (KQ), утонения стенки (AJ) и угла пружине-ния (Да) 'в зависимости от типоразмеров. Проведенные исследования показали, что гибка без наполнителя стабильно проводится для титановых труб диаметром # 8-12 мм с Ко и Ai меньшими, чем для стальных. Для гибки труб 914-18 мм необходим наполнитель о практически одинаковыми KQ и ¿5 для обоих материалов. При гибке титановых, труб с «20 мм увеличивается К0, ¿5 и соответственно радиус гиба Rr min. I1i6kp титановых труб имеет больший Да и потребный Чизг при изготовлении. , *

Разработка конструкции УДО с прокладкой из (С потребовала соответствующей технологии изготовления ее составляющих и в целом опоры. Проведенные опыты показали предпочтительность выполнения прокладки в виде ленты из стальной пружинной проволоки диаметром 0,09 мм, свернутой в спираль с шагом, равным диаметру спирали. Спираль, уложенная в витки во взаимноперпендикулярных направлениях, образует сетчатый жгут с ориентированным расположением витков. Навивка спирали и образование жгута производились на автоматизированной установке В результате прессования жгута образуются амортизационные прокладки требуемой жесткости. При етом внешняя нагрузка (Врщ ) должна совпадать с направлением усилия прессования (8Пр ) и быть перпендикулярной оси витков спирали. Дальнейшие исследования показали целесообразность введения в конструкцию УДО металлической шайбы на крепежный <5с..т между колодками, что позволило, не контролируя усилия затяжк.., добиться максимального демпфирования напряжений, разгрузив болт от дополнительного Иизг при сборке.

При рассмотрении задачи управления параметрами качества поверхностного слоя трубопроводов с использованием ПОД показано,

что непосредственное алмазное выглаживание (АВ) титановых сплавов невозможно в следствие когезионного разрушения на контакте титан-алмаз (йг/сРкО.где т-разрушащее тангенциальное напряжение,?! - координата.нормальная к плоскости скольжения).Это явление было ликвидировано за счет формирования газонасыц'чного слоя (ГНС), обладахщего по сравнения с гальваническими покрытиями более высокой прочностью сцепления с поверхностью титановых деталей. В работе рекомендованы режимы получения ПЮ для титановых труб и арматуры и совместное применение ГОС+АВ как одной их'перспективных форм комбинированного термодеформационного упрочнения (КТДУ), т.к. без него направленное воздействие на параметры качества поверхностного слоя титановых сплавов весьма чувствительных к конструктивным и технологическим концентраторам напряжений, практически незвозможно.

Из условия И.В.Крагельского по сохранению внешнего трения .

Л/Я 5 ^ (7)

видно, что для обеспечения запасов пластичности и упрочняе-мости при ППД необходимо уменьшать величину внедрения, применять индентор с большим Л, снижать уровень X или увеличивать аз.Применительно к трубопроводам наиболее целесообразны первая И третья меры, реализуемые за счет снижения РуЯ использования более совершенной смазки. Исходя из втого, вторым по значимости условием эффективного применения КТДУ после йг/о?г>0 является Обеспечение пластических напряжений на контакте при возможно меньших усилиях, чему в наибольшей степени удовлетворяет АВ.

В работе исследованы параметры контактного взаимодействия при АВ стальных и титановых сплавов для двух кинематических схем процесса АВ: скольжение индентора без продольной подачи (2=0) и с ней (3X3). При определении комплексного влияния параметров процесса АВ на степень соответствия модельной (эл-липсной) фсрша контакта реальной был введен безразмерный критерий фЛ-Р , оценивающий долю внеконтактных участков в площади ?. подсчитанной без учета кривизны выглаживаемой поверхности:

,Чг(Л?1*ЛР2*А?э]/2? = 0.гГ4/\1+лч/х\. (В) где Х=яу+а5+05; а.р.-уЛ - геометрические параметры, характеризующие внеконтактные участки.

Используя экспериментальные данные, были построены зависимости ?.„ = Р ), где показано, что доля внеконтактных

участков составляет 16-2056 от фактической площади контакта (ОПК) и требует учета при определении величины и формы контакта.

. Оптимальные параметры качества поверхностного слоя индивидуальны для каждого конкретного случая, тем не менее проведенные исследования по влиянию усилия, как основного фактора . АВ, на и И, позволили сформулировать достаточно универсальные условия их реализации. Зависимости строились в безразмерной форме 9(Ту) и И^(Ру), где Йа=«а ис1>, '5гЯте/нист.ру тек.^у ист.-' И показали,что АВ удовлетворяет условиям непрерывности, унимодальности и возможности резервирования уровней Ка и V, позволяя практически управлять параметрами качества поверхностного слоя нагруженных элементов СТК.

Однако, кинетика процесса АВ затруднена для СТК со сложной пространственной ориентацией, обеспечивающей самокомпенсацию температурных и монтажных деформаций. Поэтому бил предложен более технологичный способ обработки АВ таких трубопроводов, заключающийся в новой последовательности операций: "отрезка" -"упрочнение" - "гибка" - "формообразование законцовки" (развальцовка, высадка), что дает возможность упрочнять концевые участки труб по прямолинейной образующей. Применение предложенного техпроцесса стало возможным после проведенных исследований. доказавших, что для конических и сферических законцовск стальных и титановых трубопроводов очередность формообразования и АВ не влияет на характер распределения Н по глубине упрочненного слоя и в равной степени ( ~.в 2 раза) способствует увеличению усталостной прочности (С.,).

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований влияния конструктивно-технологических факторов на надежность СТК. Эксперименты проводились на специально спроектированных установках, стационарных стендах, в условиях действующих объектов авиационной техники и подтвердили теоретические зависимости и выводы.

Исследования показали, что несмотря на проведенную частотную отстройку от роторного возбудителя, отдельные СТК имеют недопустимо высокие оа , требующие конструктивно-технологических мероприятий для их уменьшения. На конкретных примерах дан ряд решений и отмечено, что наиболее успешным является применение разработанных УДО. В работе определены максимально нагруженные типоразмеры и зоны для СТК конкретных типов авиадвигателей, а также режимы их работы. Выявлено, что.при режимах с

подогревом, имитирующих полетные условия, ва резко уменьшается. Отмечена высокая возбудимость СТК на дисбаланс ротора турбины с увеличением (¡а в 3-10 раз.

Экспериментальное определение ат СТК проводилось в условиях сборки с замером монтажных деформаций, а также пр~~ рабочих кинематических или температурных перемещениях на натурном модуле. Эксперименты показали достаточную сходимость результатов с расчетными оценками, выполненными по предложенной методике. Даны коякретпые рекомендации по саыокомпенсации отдель-* ных трубопроводов.

Исследования разработанных УДО проводились в лабораторных условиях и при натурных испытаниях. Для определения надежности УДО были испытаны по стандартным программам общих технических требований на вибро- и ударную прочность. В результате испытаний и многолетней эксплуатации на изделиях не обнаружены механические повреадения УДО и труб. Лабораторные исследования проводились также на виброотенде при кинематическом возбуждении системы, осуществляемом по гармоническому закону. Оценка демпфирующей способности УДО производилась путем сравнения величины аа ^ в трубопроводе у защемленного конца при наличии в СТК различных опор. Положение опоры а, характеризуе- ' мое отношением длины большего пролета к длине всей системы, изменялось от 0,2 до 0,5. Результаты испытаний показали снижение резонансных напряжений для систем с УДО в 2,5-3 раза по сравнению с опорами, имеющими медные или фторопластовые прокладки. Отмечено уменьшение асистемы при снижении общей длины и повышении формы колебаний. Снятые статические характеристики разработанных и обычных опор при нормальной и повышенной температурах показали согласованность о теоретическими вык-' ладками.

Лабораторные исследования были подтвервдены натурными испытаниями высокотемпературных СТК на авиадвигателе, где срав-' нительное 'тензометрирование СТК с обычными и разработанными опорами еще раз доказало'снижение (¡а при£лостановке УДО. Показано, что повторяющиеся дефекты СТК сопла и форсажного устройства были ликвидированы постановкой разработанных УДО.

Стабилизация демпфирующей способности УДО вне зависимости от величины Ма была достигнута указанной ранее модернизацией опоры с подтверждением дополнительными исследованиями.

Исследования усталостной прочности трубопроводов, являющейся во многом определяющей в оценке надежности СТК, были про-

ведены с пряными и изогнутыми трубами, изготовленными из различных материалов о вариацией радиуса гиба и технологией производства, а также с различными конструкциями соединений трубопроводов. Для определения чувствительности изменения с к размерности сечения трубы, соединения и интенсивности падения выносливости соединения относительно трубы, введены коэффициенты

V Vи кс:

■У-/"-! «*.'• V-! си/*-! с0.! V*-! си/а-, т..

где индексы "ти", "тб", "си", "сб" указывают испытываемые, ба-- * зовые трубы и соединения.

Усталостная прочность соединений трубопроводов определена для стальных и титановых соединений по наружному конусу, паяньп. СЕарлт, штампованных сферических и полусферических конструкций. Установлено, что наиболее надежными из титановых соединения • оказались конструкции с аргонно-дуговой электросваркой (АрДЭС) встык. Их усталостная прочность практически не отличается от выносливости стальных паяных соединений и по наружному конусу, наиболее широко применяемых в авиадвигателестро-оняи. Сравнение одних и тех же соединений в виде штампованных сфер и полусфер показало одинаковые результаты для СН малых и средних размерностей, но титановые СН с 8мм предпочтительнее, т.к. их с в 1.5 раза выше, чем у стальных. Установлено незначительное уменьшение о титановых соединений при переходе на большую размерность, особенно для СН и АрДЭС, т.к. титановые сплавы более подвержены технологическим и конструктивным концентраторам напряжений, а переход на другую размерность не усил}1вает этот эффект. Проведен анализ усталостных поломок в конструкшях и рекомендованы сечения, требующие своего усиления. Доказана возможность применения СТК с уменьшенной толщиной стенки.

В результате проведения усталостных испытаний изогнутых труб установлена возможность применения титановых компенсаторов без практического увеличения Дг в.сравнении со стальными, но с обязательным проведением термообработки.

Увеличение стальных и титановых труб и соединений достигнуто применением АВ в ранее определенных опасных сечени-' ях. Выявлена- эффективность применения АВ для соединений трубопроводов: СН, по наружному конусу й-ЭЛС со сжатием. Дифференцированы возможности отдельных конструкций соединений по увеличению их надежности: для средних и больших размерностей реко-

мендоваяо применять: для средних и больших размерностей - титановые СК с упрочнением АВ; для малых - стальные паяные конструкции или соединения по наружному конусу, а также титановые сварные трубопроводы (АрДЭС встык).

Для количественной оценки влияния деформационного "трочне-ния на опорно-несущую способность (ОНС)-и эксплуатационные ха- • рактеристики СН предложении комплексные технологические критерии: - критерия влияния режимов ППД на опорно-несущую способность поверхностного слоя; - эксплуатационный критерий сопряжений:

Чс = аа1'На2'гпоп1-?поп2'Н1'"2- (11)

где индексы I и ] относятся к исходным (Р = О) и текущим (?у>0) значениям при ППД; 1 и 2 относятся к сопрягаемым поверхностям.

Представлетшо зависимости ~^Zc= Р''п>г-) • ГД8

Р., = Р,, /Р., т - кратность нагружения стыка, Г - дли-

У У '-и-л. У

тельность его функционирования показали значительное - до 60 раз (сталь) и 40 раз (титан) повышение К^ у металлов с АВ и интенсивное возрастание при увеличении п для соединений, обработанных АВ. Таким образом, АВ повышает опорно-несущую способность поверхностного слоя, обеспечивая тем самым лучшую надежность соединений.

Оценка правомерности данного вывода производилась на специальной установке, позволяющей исследовать несущую способность и герметичность разъемных соединений. Установлено, что АВ повышает несущую способность при п-1 (на Ю% у стального СН, 36% у титанового) и в равней мере эффективно при >1). Процесс герметизации упрочненных соединений происходит при снижении потребного усилия на 30% (титановые) и 60% (стальные ). '

Экспериментальная проверка эффективности диагностики процессов герметизации и разгерметизации исследуемых соединений трубопроводов проводилась на основе ■ машинного анализа -НКФ 5Рлгн = р^.ДГ), где - вариация мгновенного значения дав-

ления рабочей среда, как наименее инерционного КП.

Диагностик указанных процессов предусматривала также фиксацию значений Pmirlrи *э я{п>, соответствующих уменьшению утечек до уровня допустимых при постепенном возрастании Pfig}, а также моменту лавинообразного возрастания утечек при монотонном снижении Р(Мэ).

Герюдиагностика стальных и титановых СН, в том числе и выглаженных, проводилась на установке с подключением диагностического комплекса. Полученные корелограммы НКФ 5 по-

ЛсИ, •

казывают, что по мере приближения к ., моменту герметизации

п

асимптота НК® OCrx(ti,tz)l постепенно отдаляется от оси аб-иисс, теряет свою нелинейность, а затем становится параллельной оси абцисс. Процессу разгерметизации также предшествует нел!шейное убывание огибающей, однако проявляется оно при существенно меньших значениях *э. Сопоставление характерных значений *а, фиксируемых по уровню утечек (Jig-Q) и по асимптоте

НКФ (*„-г), показывает, что в обеих стадиях ll-r>M--Q , т.е.

а з з

информация по НК£> о герметизации проходит позже, а о разгерметизации - раньше, что идет в запас надежности функционирования соединений.

Исследования герметичности в условиях монтажных нагрузок и вибраций со снятием виброкоррелограмм показали, что основным отличием вибродиагностики от статической явилось увеличение значений Ид, приводяи^их к разгерметизации стыков. Так, при многократном нагружении имитаторов СН из стали Ыд стж /¡¡3 ßttßp = = 0,4/0,5, а из титана - 0,3/0,45, что объясняется интенсифицирующем влиянием вибраций на рост контактных деформаций в стыке. В целом же кинетика изменения асимптоты НКФ не имеет качественных расхождений.

•Пятая'глава посвящена промышленному использованию результатов исс здований. Показано, что экспериментально-теоретические разработки применены на изделиях АЫНТК "Союз" и других организаций. Так, определение Вт по предложенной методике расчета проведено на ранней стадии проектирования и при доводке изделий 15Б, 65М, 49, 81. Метод частотной отстройки СТК без последующих доработок апробирован на изделии 29 и обеспечил увеличение ресурса в 9 раз на Тшенском моторном заводе. Введение разработанных УДО на изделиях 15Б,65М,49,59 привело к уменьшению Од СТК. Тонкоотенные трубы в СТК использованы на изделиях 95 и 95А. Определена надежность СТК изделий на основе системного анализа дефектов и отказов двигателей 15Б, 65М," 49, 59, 95, 95А. Все указанные изделия прошли Государственные испыта-

ния с передачей серийному производству на предприятиях в Москве,. Тюмени, Запорожье и не имеют ддефектов по СТК при увеличении ресурса' примерно в 3 раза. Семейство высокотемпературных УДО внедрено в отрасли (ОСТ 1.10975-73-ОСТ 1.10987-73, ОСТ 1.00615-73),успешно применяется в разработках и эксплуатируется на указанных и других предприятиях.

Рекомендации по применению труб из титановых сплавов, а также методы упрочнения, результаты исследований усталостной прочности соединений СТК были широко применены при разработка и опытном изготовлении на изделии 69. Результаты работ по УДО, конструктивно-технологическому обеспечению надежности облегченных конструкций СТК (титановые, тонкостенные стальные трубопроводы с применением разработанных технологических процессов упрочнения приняты к внедрению на изделии 79.

Отмечено, что конструктивно-технологические улучшения по УДО могут быть применены при переиздении указанных ОСТов. Результаты работы по использованию да в опорах и упрочнению АВ не ограничены повышением надежности только СТК Е могут иметь практическое примепение для других деталей и узлов.

Основные выводы по работе:

1. В результате исследований, проведенных в работе, решена актуальная проблема обеспечения совокупности эксплуатационных характеристик авиамоторных СТК на основе детального рассмотрения факторов производства и эксплуатации,- а также неисправностей и отказов в СТК.

2. Системный анализ неисправностей и отказов 3 типов и 5 вариантов авиационных ГТД выявил наибольшую критичность СТК по сравнению с другими элементами двигателей, что потребовало формирования комплексной программы обеспечения надежности систем трубопровода!« коммуникаций (КПОН СТК) совместно с разработкой структурной схемы взаимодействия конструктивных, технологических, материаловедческих и эксплуатационных факторов,

о

определяющих работоспособность СТК.

Установлено, что из 16 автономных множеств, формирующих данную схему, 9 включают в себя технологические факторы; это обстоятельство было учтено при уточнении основных направлений исследований в рамках сфорлгрованной КПОН СТК.

3. Предложен оценочный метод расчета напряжений в пространственно-ориентированных системах при наличии технологичес-

ких погрешностей и температурных воздействий.

4. Методом конечных элементов, исходя из условия обеспечения необходимой герметичности и продольной устойчивости, получено уточненное упругое и упруго-пластическое решение задач;! по определению напряженно-деформированного состояния соединений стальных и титановых СТК с учетом внутреннего давления. Роксмендованы необходимые моменты затяжки соединений.

г5. Разработана конструкция и технология изготовления се-м-;!:тва высокотемпературных упруго-демпфиругацих опор (УДО) с п;юклздкаЯ из металлорезины (МР). В результате проведения стен-довах испытаний установлено,что предложенные УДО снижают уро-:-ен;. аа в критичных зонах СТК в 1,8-2 раза при одновременном ггоыжнии стабильности демпфирующей способности УДО в 2,5-3 раза по сравнению с известными конструкциями.

6. В итоге проведения комплекса расчетных и эксперимен-тальдых исследований выявлена возможность применения тита-нс;зых сплавов и уменьшения толщин стенок до 0,5 мм при диамическом и статическом нагруиениях и в условиях усталостных испытаний; масса СТК при этом уменьшается в 1,8-3,6 раза без снижения их прочностши характеристик.

7. Разработаны комплексные показатели опорно-несущей способности поверхностного слоя для единичных поверхностей (Щ.) и для герметизирующих стыков отражающие кинетику изменения анизотропии следов неровностей совместной шероховатости

* ~^гют'~поп2' виоогыой неоднородности сопрягаеймых профилей

и приведенной микротвердости .материалов, контактирующих поверхностей И^ И

8/Установлено, что при оптимальных режамах алмазного выглаживания ЧВ) {Р =0,6-0,8) показатель возрастает в 55-65-

• раз (сталь) и в 30-38 раз (титан); такое повыаение опорно-несущей способности поверхностного слоя благоприятно влияет на комплекс взаимосвязанных эксплуатационных характеристик: контактную жесткость и прочность герметизирующих стыков, объемную жесткость соединений при снижении потребного усилия герметизации.

9. Проведено уточнение расчетного определения оптимального усилия при АВ; установлено, что при скольжении сферического индентора с наличием и отсутствием продельной подачи, доля внеконтактных участков, определяемых кривизной упрочняемой поверхности, может достигать 20%, что требует ее учета при назначении оптимальных усилий АВ.

10. Разработан существенно более технологичный способ изготовления упрочненных соединений (СИ и по наружному конусу) стальных и титановых трубопроводов пространственной конфигурации, отличающийся от известных способов первоначальным АВ цилиндрических участков трубы о последующим ее' объемным ф хоиз-менением (гибка и высадка); сравнительные усталостные испытания показали, что предложенный способ обеспечивает повышение о_1 вибронапряжеиных участков СПС в 2 раза по сравнению с не-упрочненными трубопроводами.

11. Разработан метод прогнозирования разгерметизации в уп-лотнительных стыках сферический ниппель (СН)-шайба на основе спектральной диагностики их функционирования о использованием машинного анализа реализаций давления рабочей среды и формы асимптоты нормированной корреляционной функции (НКФ) ЧГСг^а!,

Установлено, что постепенный характер изменения в зонах импульсного изменения Дозволяет предупредить появление отказов. В условиях статического и динамического нагружения СН информация по НКФ о герметизации поступает позже, а'о разгерметизации - раньше, чем при контроле усредненных параметров, что идет в запас надежности СН.

12. В целях формирования банка данных о влиянии конструктивно-технологических факторов на вибропрочность СТК проведем комплекс експериментальных исследований ..^ прямых труб и о компенсаторами, а также различных конструкций стальных и титановых трубопроводов.

Определены максимально вибронагруженные зоны, режимы и типоразмеры СТК для различных типов авиадвигателей.

Конструктивно-технологические возможности соединений учтены по введенным критериям К р. Н^ и Я,.

13.Результаты работы были использованы при проектировании, доводке СТК ряда авиадвигателей и подтверждены успешным проведением государственных испытаний шести типов авиадвигателей о внедрением их в серийное производство.

Разработанные УДО прошли внедрение в отрасли и применяются на ряде авиационных фирм.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Метелкин А.Ф., Жирнов А.Ф. и др. Усталостная прочность тонкостенных трубопроводов из титана. М., Авиационная промышленность, 1972, N8, с.20-21.

2. Жирнов /Усталостные испытания трубопроводов из титановых сплавов. Куйбышев, КуАИ. Материалы ВНТК, 1972, с.234-235.

3. Ванецов Л.А., Жирвов А.Ф. О целесообразности применения' титановых трубопроводов в гидравлических системах газотурбинных двигателей. Киев, «11, Проблемы прочности, 1973, с.85-86. '

4. Ванецов Л.А., Жирнов А.Ф. О применении титановых сплавов в коммуникациях ГТД. М., Труды НИАТ, 1975г.

5. Жирнов А.Ф., Панин Е. Исследования упруго-деформирующих опор трубопроводов с прокладками из материала UP. Куйбышев. Труда КуАИ, вып.1 (68), 1975, 0.29-35. 1 .

6. Метелкин А.Ф., Хвороотухин Л.А., Ильин H.H., Жирнов А.Ф. Новый способ выглаживания деталей из титановых сплавов, м.. АЛ, 1976, N6, с.42-43.

7. Метелкин А.Ф., Хвороотухин Л.А., Жирнов А.Ф., Ильин H.H. О конструктивно-технологических методах улучшения работоспособности трубопроводов ГТД, подвергаемых обработке алмазным выглаживанием. Ii., Труды НИАТ,, 1977, с. 39-43.

8. Воротилин A.B., Жирнов А.Ф., Ильин H.H. и др. Анализ реализаций при исследовании работоспособности герметизирующих и фрикционных сопряжений. Ы., завод-втуз ЗИЛа. Тезисы ВНТК, 1983, с. 204-205.

9. Жирнея А.Ф. Упруго-демп&ирущие опоры трубопроводов. Куйбышев, материалы ВНТС, 1984, с. 90-91.

10. Жирнов А.Ф., Ильин H.H., Шапошникова Н.Г. Напряженно-демпфированное состояние соединений трубопроводов со сферическими законцовками. М., Вестник, машиностроения, 1986, N1, с. 29-30.11. Жирзов А.Ф., Ильин H.H. и др. Влияние деформационной

анизотропии на гидрогазоплотиость подвижных сопряжений. Киши-, нев, КПИ, Тезисы ВНТК", 1985, с.20.

12. Жирнов А.Ф., Ильин H.H. Формирование программы обеспечения надежности трубопроводных коммуникаций изделий на основе системного анализа дефектов и отказов. U., МАШ, сб. Технологическое обеспечение надежности уплотнительной техники, 1985, с.53-69.

13. Жирнов A.B., ИЛьин H.H. и др. Прогнозирование отказов герметизирующих и фрикционных сопряжений на основе спектральной диагностики их функционирования, сб.-Технологическое обеспечение надежности уплотнительной техники. М., МАМИ, 198т, с.