автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Методы расчета и принципы проектирования высокоресурсных клапанных агрегатов с регулируемыми динамическими и кинематическими параметрами для пневмогидротопливных систем двигателей летательных аппаратов

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЗРОКОСлИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени академика С „П.Королева

Ляс с^х^тебкого поггьзсгакпя Ннв. й 597 Экз. Л

На правах рукописи УЖ 629.7.04

МУЛЮКИН ОЛЕГ ПЕТРОВИЧ

МЕТОДЫ РАСЧЕТА И ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВЫСОКОРЕСУРСНЫХ КЛАПАННЫХ АГРЕГАТОВ С РЕГУЛИРУЕМЫМИ ДИНАМИЧЕСКИМИ И КИНЕМАТИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ ДЛЯ ПНЕВМОГИДРО-ТОПЛИВНЫХ СИСТЕМ ДВИГАТЕЛЕЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Специальность 05.07.05 - Тепловые .ггвигателз!

летательных аппаратов

ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ ЬЖЖТОРА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

АВТОРЕФЕРАТ

Работа выполнена в Самарском государственном аэрокосмическом университете имени академика С.П.Королева

Официальные оппоненты: Доктор технических наук,

профессор А.Е.Жуковский Доктор технических наук, В.Н.Орлов

Доктор технических наук, профессор А.И.Станкевич

Ведущая организация - АО ЗТ ВКБ РКК "Энергия"

Защита состоится " & " — 1995 г. в /г час. . заседании диссертационного совета Д 063.87.01 в Самаре государственном аэрокосмическом университете имени академ С.П.Королева по адресу: 443086, г.Самара, Московское шоссе, 34

С диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке Самарск государственного аэрокосмического университета.

5 /х

Автореферат разослан " _ " —_ 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

- 3-

ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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: масел с повышенными агрессивными и токсическими свойствами.

В условиях жесткого лимитирования массы й 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'- в контактирующих звеньях приводных и уплотнительных устройств клапанных агрегатов с регулируемыми динамическими и кшематот'ескими параметрами и разработки научно обоснованных рекомендаций и принципов их проектирования.

Существенно возросли требования к показателям надежности, задаваемых' в отраслевых ТЗ на разработку ИШи 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 более 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 убавления авиационно-космической техники нацелены на достижение следующего уровня основных показателей надежности:

- безотказности с 3-Ю5 до 5-I05 летных часов (л.ч.), в том

f: с:

числе на функциональные отказы типа разрушений с 2-10° до 5-10е л.ч.;

о о

- заданного ресурса до первого ремонта - с 5-10 - 6-10 л.ч. до I0-I03 - 12-Ю3 л.ч.;

- назначенного ресурса - с I0-I03 до 30-Ю3 л.ч.;

- срока службы изделий - с 3-10 до 30-35 лет.

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА

---&БНДЯ

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 ЮТА при росте динамически? нагрузок резко прогрессирует в условиях комплексного проявления внешних воздействующих факторов (ВВФ), оказывающих неблагоприятное влияние на работоспособность контактируемых органов, средстЕ диагностики технического состояния клапанных агрегатов и контроля 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 механизмов, разработки моделей соответствующих процессоЕ 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 I 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 государственное комитета РОФСР по делам науки, высшей школы * 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 * 5 от 10.01.92 г., Указания Комитета по высше! 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 проектирования высокоресурсных клапанных агрегатов с регулируемыми динамическими и кинематическими параметрами для систем ДЛА на основе выявления, теоретического и экспериментального обоснования .важнейших 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.

1. Разработка методов снижения динамических нагрузок, воздействующих на контактирующие поверхности приводных и угоютни-гельных органов клапанных агрегатов, и оценка предельных возмож-юстей используемых для этой цели разгрузочных устройств и меха-шзмов различной физической природы.

2. Разработка моделей и исследование газовых и жидкостных гстройств клапанных ГПТА с регулируемой скоростью движения испол-мтельного органа (ИО) за счет управления на его рабочем ходе иерционной, внешней, упругой, газодинамической, диссипативной [агрузками и величиной тормозного пути.

3. Создание метода определения герметичности уплотнительных юединений (УС) ГПТА с учетом комбинирования конструктивно-техно-югических и эксплуатационных факторов при нормированном контактам давлении герметизации с синтезированием УС с заданными эксп-уатационными показателями.

4. Создание моделей, средств расчета и приемов конструирова-ия специфических клапанных устройств ГПТА на основе оболочечных вдел, 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-

бочих 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 ИО 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 FKK "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.

1. 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.

2. Определены рациональные (с точки зрения быстродействия и минимизации энергии соударения подвижных 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.

3. Разработаны основы расчета и конструирования демпфирующих устройств с регулируемой скоростью движения ИО для газовых и жид-шх сред при нормированном времени срабатывания приводных и шлотнительных устройств агрегатов.

4. 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- . энных факторов при нормированном контактном давлении герметизации

I позволяющая осуществлять синтез УС с заданными эксплуатационными показателями ресурса и герметичности.

5. Разработан и систематизирован комплекс научно обосновании, взаимосвязанных практических рекомендаций и принципов кон-зтруирования высокоресурсных клапанных агрегатов, их механизмов и устройств, работоспособных в составе систем ДЛА при интенсифика-хии механических нагрузок и комбинировании ВВФ.

На основе выявленных закономерностей и обобщения результатов юследовательских. работ созданы метода расчета и принципы проектирования высокоресурсных клапанных агрегатов с регулируемыми ди-íaмичecкими и кинематическими параметрами в составе систем ДЛА, отвечающим современным требованиям к аэрокосмической технике по рункциональной надежности приводных и уплотнительных устройств энерговооруженных двигательных установок, то есть решена важная шучная проблема, имеющая большое народнохозяйственное значение да авиадвигателестроения.

Практическая ценность.

I. Научно обоснованные и подкрепленные теоретическими- и экспериментальными исследованиями методы и устройства различной физической 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 слапанных устройств и герметичность их УС при заданных габаритно-/шссовых характеристиках клапанных ГПТА) находящихся в эксплуата-ош энергетических установок, машин и механизмов высокой энерговооруженности, не удовлетворяющих современным требованиям отече-зтвенного авиадвигателестроения;

- для создания нового поколения ГПТА аэрокодмической и ой , промышленной трубопроводной арматуры с повышенными, эксплуата! онными показателями при значительном сокращении времени их щ ектирования, изготовления и доводки технических . параметров уровня современных требований ТЗ к-энерговооруженным объектам.

2. Разработанные метода расчета герметичности и устройе . стабилизации протечек среды через УС с регулируемыми, динамик

кими параметрами в зоне контактируемых поверхностей, вклю специфические конструкции с оболочечными 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. ■

3. 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 характерист объектов.за счет обеспечения функциональной надежности привод] и уплотнительных устройств агрегатов в условиях интенсифика механических нагрузок и комбинированного воздействия ВВФ.

4. Созданные конструкции высокоресурсных,и экономичных I для объектов аэрокосмической техники, имеют широкие перепек! 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 сь ствами. .

Реализация результатов работы. Разработанные теоретичес положения и принципы конструирования высокоресурсных клала* ГПТА систем ДЛА и ЛА внедрены в аэрокосмических объектах и . с] ствах их обслуживания на предприятиях: АО СНТК "Двигатели НК", "СКБМ", АО ЗТ 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 станкостроител! 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:

1. 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).

2. Высокопроизводительное стендовое оборудование, включая приспособления, оснастку и ряд модификаций оптико-волоконных датчиков для испытания пневмо,-гидро,-топливной арматуры для систем ДЯА и объектов общепромышленного назначения (универсальные установки ЗУ.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 СНТК "Двигатели НК", АО "СКБМ"); датчики положения ИО изделий 16.549.000 в газоперекачивающих агрегатах ГПА-Ц-16 (АО СНГК "Двигатели НК") по магистральному транспортированию природного газа к потребителю.

3. Оригинальный высокоэффективный способ и устройство герметизации высоконагруженных УС с надцуваемыми оболочечными уплотнениями (газораспределительные станции, пневмо,-гидродемпферы, ре-сиверное оборудование, позиционеры и др.).

4. Элементы силовых и уплотнительных механизмов грузоподъемного и транспортного оборудования, систем и устройств перемещения и крепления крупногабаритных грузов.

5. 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, эбсуздались 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 гидропневмоавтоматики". - Пенза: ПрДНТП, 1984;

- 1985 г.: X Всесоюзная научно-тёхническая конференция "Конструкционная прочность двигателей". - Куйбышев: КуАИ, 1985; 1\ Всесоюзное научно-техническое совещание по уплотнительной технике. -Сумы, 1985; Областное координационное совещание "Математическое обеспечение интегрированных сийтем САПР-ГАП". - Куйбышев: КуАИ, 1985;

- 1986' г. :•. IV Всесоюзная, 'научно-техническая конференциг "Современные проблемы двигателей и энергетических установок летательных аппаратов". - Москва: МАИ., ,1986; IX Всесоюзный ■ симпози^ "Логическое управление в промышленности". - Ташкент, 1986;

,- 1988г.: V Всесоюзное научно-техническое совещание по уп-лотнительной 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 герметизирующие соединений". - Пенза, 1989; П Всесоюзная научно-техническая конференция "Проблемы виброизоляции машин и приборов". - Иркутск 1989; республиканская конференция "Проектирование,-производство I эксплуатация кидкостно-газовых систем современных воздушных судо] и авиационной наземной техники". - Киев: КИИГА, 1989;

- 1990 г.: Научная сессия, посвященная 75-летию со дая 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 "Метода 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 яаучно-практическая конференция "Гидропривод. Проблемы использования конверсионных разработок в машиностроении". - Самара: СГАУ, 1994;

1995 г.: 1-ая Поволжская научно-техническая конференция по [гроблемам двойного применения. - Самара: СГАУ, 1995; П Международный 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 ).

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-геских отчета; предложенные конструктивные решения и способы ¡ащищены 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

СОДЕРЖАНИИ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы исследоваши дается краткая характеристика диссертационной работы, сформул] рованы основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу современного состояния вощх са и постановке задач исследования.

Из анализа следует, что динамике срабатывания агрегатов п< священо большое количество работ, значительная часть из котор; базируется на общих методиках теории ударного нагружения мехшп ческих систем, изложенных в работах Г.С.Батуева, В.А.Белог< В.Л.Бидермана, И.А.Биргера, Р.Ф.Ганиева, Е.В.Герц, Ю.В.Голубков; В.Гольдсмита, Н.В.Демкина, А.Е.Жуковского, В.С.Ильинского, H.j Кильчевского, Г.В.Крейнина, Н.Д.Кузнецова, Н.Н.Малинина, Я.Г.Ш новко, Л.С.Пинчук, А.И.Станкевича, К.В.Фролова, Д.Е.Чегсдаевг В.НЛеломоя.

Динамике нагружения резиномэталлических клапанных пар поев! щены исследования Ю.С.Зуева, Б.М.Капаровского, Л.А.Кондаков; Д.А.Мендельсона,. Г.Г.Стратинввского, М.И.Штительмана (МГТУ и Н.Э.Баумана); ВНИИ "Криогенмаш"; АНТК им. А.Н.Туполева; АО ЗТ В1 РКК "Энергия"; Аи "Агрегат"; АО СНТК "Двигатели НК"; АО "СКБМ' Самарский государственный аэрокосмический университет).

Глубокие исследования нагружения плоских клапанных пар уплотнением "металл по металлу", "металл-эластомер" и конусш оболочечных уплотнений представлены в работах А.М.Долотовг И.И.Дулявичуса, П.Ю.Жилюкаса, А.Е.Жуковского, Б.В.Кармугин; Ю.Ф.Куликова, А.Н.Макушкина, Н.Т.Ромапенко, А.И.Эдельмана (МА1 ВНИИ "Криогенмаш"; Львовский политехнический институт; Орловой политехнический институт; Каунасский политехнический институт Братский индустриальный институт; АО "Агрегат" и др.).

Исследованию процессов регулирования динамических и кинем; тических параметров клапанных устройств с приводными механизма» посвящены работы В.А.Ананьевского, Н.М.Беляева, В.Ф.Бугаенкс Д.Ф.Гуревича, Т.В.Кондратьевой, Н.Н.Коленко, М.С.Кошанскогс И.Р.Кричкора, А.Л.Пркиалковского, М.В.Раздолина, о.И.Ратманскоп А.Е,Ситникова, Д.Н.Сурнова, Ю.И.Тарасьева, Н.В.Филина, В.В.Хши .чевского, с.Х.Щучинского и др.

Следует отметить, что подавляющее число работ, описывают процессы, происходящие в стыке уплотняющих поверхностей, базирз ются на теории контактирования шероховатых поверхностей (paöoi

И.Г.Горячевой,. М.Н.Добычина, Н.Б.Демкша, А.Ю.Жилюкаса Н.А.Киль-чевского,и П.М.Огара).

Вопросам виброустойчивости арматуры посвящены работы В.Ф.Бу-гаенко, А.К.Дедкова, Ф.М.Диментберга, Н.Н.Коленко К.С.Колесникова, И.Ф.Линского, К.В.Фролова, и др. В этих работах представлены результаты исследований влияния продольных и поперечных колебаний (в том числе при транспортировке объектов) на герметичность упругогодвешенных затворов, а также оценена эффективность применяемых в промышленности конструкторско-технологических и эксплуатационных методов обеспечения устойчивого функционирования регулирующей и запорно-предохранительной арматуры, включая управляемые клапанные устройства с заданными динамическими свойствами.

Анализ.опубликованных работ, выполненных в этих направлениях, позволяет сделать следующие выводы:

I. Отсутствуют систематизированные представления о всех стадиях преобразования.энергии в физических процессах, происходящих в рабочих трактах клапанных ГПТА при их срабатывании и определяющих динамические.параметры приводных устройств и УС.

2: Разработаны оригинальные конструкции средств торможения ИО ГПТА (элементы с конструкционным демпфированием; электромагнитные устройства; демпферы: газовые, жидкостные и с сухим трением), однако выбор и доводка их параметров базируется, в основном, на результатах экспериментов.

3. Накоплен определенный объем знаний в исследовании газовых и жидкостных демпферов МО клапанных ГПТА, однако результаты носят противоречивый характер и недостаточны для априорной оценки средств снижения динамических нагрузок в контактируемых поверхностях при..варьировании величиной кинематических параметров подвижных элементов агрегатов и комбинировании ВВФ.

4..Отсутствуют методики расчета газовых и жидкостных тормозных устройств ИО клапанных ГПТА для конструкций с регулируемой скоростью движения ИО на основе управления на его рабочем ходе инерционной, внешней, упругой, газодинамической, диссипативной нагрузками и величиной тормозного пути.

5. Не оценены предельные возможности (эффективность) существующих методов снижения динамических нагрузок в соударяющихся поверхностях приводных и уплотнительных устройствах клапанных ГПТА и созданных на их основе разгрузочных устройств и механизмов различной физической природы.

6. Основные проблемы при разработке механизмов и устройств

- 14-

клапанных агрегатов с регулируемыми динамическими и кинематическими параметрами заключаются в сложности одновременного обеспечения требуемого качества динамического процесса в ГПТА при заданных быстродействии ИО, ресурсе, степени герметизации и экономичности работы приводных (силовых) звеньев и УС в условиях ударного контактирования при знакопеременном нагружении.

7. Известные методы определения герметичности УС ГПТА при нормированном контактном давлении герметизации не учитывают варьирование конструктивно-технологическими и эксплуатационными факторами в зависимости от величины динамических нагрузок в уплотняемом стыке, что затрудняет процессы синтеза УС под заданные эксплуатационные показатели.

8. При создании моделей, средств расчета и приемов защиты клапанных устройств ГПТА от механических нагрузок на этапах транспортировки объектов и срабатывания агрегатов в составе систем ДЛА не учитываются последствия комплексного проявления динамических нагрузок в эксплуатации, что приводит к нарушению работоспособности элементов упругих оболочечных уплотнений, полимерных и эластомерннх конструкций пониженной жесткости.

9. До настоящего времени полностью не разработан и экспериментально не подтвержден комплекс взаимосвязанных практических рекомендаций и принципов проектирования высоконадежных, с повышенными ресурсом и степенью герметизации клапанных агрегатов, их механизмов и устройств в условиях интенсификации:

- динамических нагрузок в контактирующих зонах рабочих органов на этапах хранения, складирования, транспортировки и функционирования в составе систем ДМ и ЛА;

- процессов схватывания, адгезии, коррозии и льдообразования в плунжерных и золотниковых парах;

- загязненности рабочих сред и износа поверхностей подвижных сопряжений;

- ВВФ и их комплексном проявлении, обусловливающих рост потребного усилия герметизации УС и расхода управляющей энергии на срабатывание ГПТА.

На основании проведенного анализа состояния проблемы в диссертации сформулированы цель и задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке моделей и методов управления динамическими и кинематическими параметрами клапанных агрегатов для снижения динамичеких нагрузок в контактирующих поверхностях их приводных и уплотнительных устройств. В связи с отсутст-

вием в авиационной отрасли стандартов на классификацию всей пнев-могидротопливной арматуры, была разработана единая классификация арматуры, обобщающая признаки, используемые в известных классификациях серийных клапанных ГПТА ряда авиационных ОКБ и устройствах, представленных в научно-технической литературе и патентной документации. Разработанная классификация принята в качестве исходной для сопоставления и выбора расчетных схем управляемой и автоматической арматуры при исследования параметров переходных процессов в клапанных ГПТА.

Анализ УС ГПТА как динамической системы проведен как для клапанных устройств с приводом, так и для автоматических (пружинных, безприводных) клапанных устройств на базе обобщенной конструктивно расчетной схемы клапанного ГПТА (рис.1). Указанная схема наряду с типовыми элементами (клапан, седло, задатчик нагрузки в виде упругого элемента для агрегатов автоматики и привода для агрегатов управления) включает один или несколько демпфирующих механизмов (ДМ).

Впервые при расчете динамических параметров клапанных агрегатов применен математический аппарат исследования непроточных демпферов в рамках систем с релаксационным демпфированием (рис.2), в которых все промежуточные значения величин демпфирования проходят через общую фиксированную точку, - так называемую инвариантную точку пересечения предельных резонансных кривых (рис.3).

При описании динимики клапанного механизма ГПТА с ДМ (рис.1) в рамках упруговязкой модели Зенера (рис.2,а) роль пружины с жесткостью с} отводилась возвратной пружине механизма, а роль упру-годемпферной связи (сг-й) - газовому объему демпферной камеры и дросселирующему элементу. При исследовании газовых устройств использовалась совокупность уравнений движения, неразрывности течения газа и сохранения его энергии.

Использование общепринятых допущений и выражения для расходной характеристики дросселирующего элемента позволило исследовать динамику газового демпфера клапанного агрегата на основании уравнений неразрывности потока газа через дросселирующий элемент:

и процесса

- 16-

Рд/Рд = сопзг ' ' (2)

где рд, рд - давление и плотность газа в демпферной камере объемом Уд, х - перемещение, п - показатель политропы воздушной среды (принят п=1,4), потери учитывались при помощи экспериментально найденного значения коэффициента расхода а, рассчитываемого для двух случаев истечения газа: докритического (при 0,528<р?/р2<1) и сверхкритического (при 0<р//р2<0,528); знак "+" в формуле (I) соответствует случаю притока газа в полость, а случаю его

истечения из полости. - у.

' Уравнения (I) и (2) определяют силы, действующие на ИО со .стороны газового слоя ДМ на этапе торможения. Суммирование этих сил, а также инерционных, внешней нагрузки, силы упругости, трения и газодинамических, действующих на тарель клапана при обтекании ее потоком рабочего компонента, позволяет получить еще одно уравнение - уравнение баланса сил, действующих на подвижное зврно агрегата:

где / - площадь поршня в ДМ.

Система уравнений (I)—(3) позволяет проводить комплексное исследование клапанного механизма ГПТА с да как динамической системы. Выражение (I) представляет собой в общем случае нелинейное уравнение, связывающее давление в демпферной камере рд с перемещением х ИО. Его решение базируется на методах линеаризации или численных методах.

Для удобства анализа и обобщения аналитических результатов вводились следующие безразмерные параметры: /*=///п; рд-=ра/рд; х*=х/Н; х*=х/х0; с*=с-Я/Рп-ра; Р*=Р/Рп-р& и

комплекс К*=[а(Я. ■Та)1/2]/х2, где х0 - скорость подвижной массы клапана при х=0.

С учетом ряда допущений и преобразований (процессы адиабатические, замена переменных, введение принятых безразмерных параметров) уравнения (1)-(3) для до- (Ра/Рд>0,528) и сверхкритического истечения (р^/р^0,528) примут вид

при 7<рд<1,894

(1-Х*)-

бх

1-(

2п п -1

,/2 * * ) ■ К •/

п-3 * 2п

П-Р

1-п п

)/х* (4)

при р*11,894

(1

-х*)-

Ох

-

1-(п-(

Ш

ти-1 п-1 ) 1

1/2

к*-г*-р*д

п-З 2п

(5)

М*-х*- —г +р*+с*х*=Р* (6)

ах* д

Уравнения (4)-(6) описывают динамику ИО клапанного ГПТА с ДМ при заданных граничных условиях

Х*=0, р*=7, х*=1; * ■ \ (?)

х=1, х=0 }

Исследование динамики (кинематики) ИО клапанных ГПТА с ДМ, описываемых уравнениями (4)-(6) при граничных условиях (7), проводилось с целью разработки и насыщения элементной базы исходных данных, обеспечивающих возможность многокритериальной оптимизации таких конструкций. Дифференциальные уравнения (4)-(6) связывают варьируемые параметры (масса, жесткость, усилие, скорость и др.) и описывают функционирование устройств рассматриваемого класса. Это позволяет сформулировать параметрические и функциональные ограничения, локальные и решающий критерии. .

Наполнение элементной базы исходных данных производилось для клапанных ГПТА:

I. О постоянной- площадью дросселя ДМ, - рис.4 (при х=сопз£) и рис.5 (при р*=сопзг).

Исследования показали, что:

- реализовать требуемую зависимость Р*(х*) (рис.4,а) удается не для всех практически важных случаев сочетания варьируемых параметров. В то же время, моделирование изменения управляющей силы

* * Л &

Р -(х ) (рис.4,в) при определенных вариациях параметров с и И позволяют сохранить заданный вид функций х*(х*);

6 \ 1 2 ' I 3 \ \ | Л|

4 а 5

Рис.1. Конструктивно-расчетные схемы клапанного механизма с ДУ (а) и ДУ (0): 1-корпус; 2-клапан; 3-седло; 4-дроссели-рувдий орган; 5-демпферная плоскость; 6-пружинный задатчик нагрузки (для агрегата автоматики); 7-поршень

Рис.2. Схемы клапанного механизма , соотве тствущего моделям: а - Зенера; б - Кельвина

Рис.3. Амплитудно-частот ные характеристики систе мы релаксационного демпфирования

х 0.8

о,Л

N

¿7,4 0,& X а

й

О,* 0,» -

а

Р &

4

ы

0.4 ол X о

Рис.4. Зависимости скорости (а), давления (б) и управляющей силы (в) от перемещения клапана при **=0,5; /*=1СГ3; К*=203

- 19- при условии обеспечения и фиксированных значениях параметров с*, и*, К* реализация требуемой зависимости Р*[х*) возможна только при Р*=2 (рис.5,а);

- при Р*=5 появляется опасность разрушения деталей ДМ из-за заброса давления в его камере (рис.5,6). Варьирование жесткости (усилия предварительного поджатия) пружины и массы подвижных звеньев дают аналогичную картину.

Представленные результаты позволяют не только рассчитывать динамические характеристики клапанных ГОТА с ДМ, но и оценивать прочность их корпусных элементов. Это дает возможность проектировать облегченные агрегаты с наперед заданными функциональными свойствами.

В случае применения жидкого водорода (Р*20К, р*10 МПа) при расчете переходного процесса можно принять плотность водорода рд=согга? и, введя безразмерную плотность р*=рд-х^/ра и, использовав безразмерные параметры, принятые для модели газового демпфера, найти выражение уравнения неразрывности течения среды в виде

х*=а•/* 12Гр*-1)/р*]1/г (8)

Уравнения (6) и (8) описывают работу ДО ГПТА с жидким водородом в качестве рабочего тела при граничных условиях (7).

2. О переменной площадью дросселя ДМ, - рис.6 (при р*^=сапз1 или х=аопаг с учетом сочетания безразмерных параметров по габл.1).

Исследования показали, что:

- при значении управляющей силы Р* большего оптмального Ропт' возможен удар в конце хода (рис.6,а), а при Р*<Ропт происходит останов массы М* на ходе, меньшем заданного расчетного хода порш-зя(х*<7); причем влияние жесткости с* параллельно установленных тружин на зависимость площади дросселя ?*(х*) противоположно влитию управляющей силы Р*;

- увеличение массы Ы* и уменьшение давления р* нарушают батане сил таким образом, что скорость массы в конце хода (х*=1) >тлична от нуля. Противоположное изменение этих парметров обу-зловливает полное торможение массы при х*<1 (рис.6,б,в);

- управляющая сила Р*, масса И* и давление р* в ДМ, качественно одинаково влияют на зависимость ?*(х*), - -рис.6,г, причем ¡лияние массы аналогично, а давления противоположно влиянию отравляющей силы;

Таблвда I

Номер рисунка Параметры

р* д с* и* К* Р* Р*

6,а 1,5 г I 203 - -

6,6 - 2 I 203 2 -

6,в 1.5 2 - 203 2 -

6,г - 3 2 203 - -

6,д 2 4 2 - 3 -

6,е 2 4 2 - - 0,08

6,ж 2 4 - - 3 0,08

6,3 - 3 4 . . - - 0,08

6,и - 3 4, - - 0,08

6,к - - 4 - 2 0,08

- при постоянном давлении р* в камере да (рис.6,д,в,ж,з) изменение плотности водорода в целом не сказывается на характере процесса полного торможения при х*=1, однако обусловливает различные значения площади проходного сечения дросселя /*(0);

- качественное изменение зависимости /*(х*) при варьировании управляющей силы Р*, массы Ы* и жесткости с* пружин (рис.6,е,ж, з) для демпфера, работающего на жидком водороде, аналогично зависимости, соответствующей случаю применения газообразного водорода;'.

- обеспечение постоянного торможения массы М* на рабочем ходе поршня ДМ (рис.6,и,к) достигается при определенном сочетании варьируемых параметров р* и с*, при котором изменение площади /* ДМ не связано с ходом массы поршня. Это справедливо для устройств, в которых заранее допускается отличная от нуля скорость массы в конце хода, то есть удар. Варьирование жесткостью пружины обусловливает различные значения /*СО;, а влияние массы М* качественно" аналогично влиянию управляющей силы Р*.

Экспериментальные исследования способов управления динамическими и кинематическими параметрами ИО осуществлялись на соз-дэнной В-СГАУ. установке для физического моделирования ДМ клапанного механизма ГИТА. Полученные результаты анализировались с точки зрения влияния изменения параметров (площадь дросселя ДМ, мае-

/ Р*»5 N

с 2

< \

ц* о,$х а

Я

3 1

7

у /

-г-« т

о,и х о

а

Рис.5. Зависимости скорости (а), давления (б) и ускорения (в) от перемещения клапана при Я*=0,5;

с =1; /-=10'

*=то"3: К=:

й=203

о

Рис.6. Зависимость площади дросселя демпфера, работающего на газообразном (а,б,в,г) и жидком (д,е, ж,з,и,к) водороде от безразмерных параметров: а,б,в,д,е,ж,з -г,и,к - х=сопаг

са и перемещение поршня, жесткость пружин, давление в камере ДМ) на скорость перемещения ИО и сопоставлялось с результатами расчетов на ЭВМ уравнений (4)-(7). Результаты экспериментальных исследований, включая эксперименты по оценке влияния скорости посадки золотника на седле на функциональные параметры клапанных ГПТА с ДМ (ресурс и герметичность) в изделиях 862.700 и ЧМ-46 с уплотнителем из фторопласта-4 ТУ05-8Ю-76 и поликарбоната ПК-М-З ТУ6-05-2П-1070-81, сведены в раздел "Основные результаты и вывода".

В третьей главе приведены основы расчета и конструирования УС клапанных агрегатов ДЛА с повышенным ресурсом в условиях ударного контактирования клапанно-седельных пар и элементов приводных механизмов.

Эксплуатационная надежность клапанных агрегатов во многом определяется эксплуатационными показателями УС, важнейшими из которых являются герметичность и ресурс. Проанализировано влияние на герметичность факторов герметизирующей способности (исходных факторов), а также конструктивно-технологических и эксплуатационных факторов.

Показано, что при нормированной степени герметизации запорного устройства требуемое удельное давление на поверхность упругого уплотнителя Дуд может быть определено по линейной зависимости в логарифмических координатах

где - удельное давление, обеспечивающее требуемую степень

герметизации клапанного уплотнения (КУ); Q,rrTTT - допустимая утечка

упл

через КУ; Q'ynjl - утечка при малом значении Дуд (Яуд=0) через микроканалы, образованные микронеровностями на уплотняемых поверхностях КУ.

Результаты исследования эксплуатационных характеристик некоторых типов запорной арматуры объектов АО ЗТ ВКБ РКК "Энергия" и АО "Агрегат" представлены в табл.2.

При нормировании контактного давления, обеспечивающего требуемую герметичность, предложено использовать безразмерные параметры ат и р.

В частности, если распределение контактного давления по ширине зоны уплотнения описывается функцией Q=f(x), то

(9)

i. аи^иаца &

Характеристика конструкции Ревим нагружения q, Н/см Число Средние протечки (сы^/мш)

клапанного уплотнения (ЯуД, МПа) циклов сра- при температуре

.батываний■

При хранении (*) 25°С -196°С -250°С

и работе в системе

Уплотнение плоское, седло

из стали ПХ18Н10Т, клапан

из: латуни ЛС59 (50*70) до 200 0,1*0,15 0,3 до 10

200*5000 0,3*5 0,6*10 10*30

фторопласта-4 (до 5)*; (30-70) 60*100 0 0,1 20*100

свыше 100 5*10 40*70 до 300

фторопласта-З (до 10*); (30-70) 20*100 0,3 ... 0,6 -

свыше 100 5*10 до 200 -

поликарбоната ПК-М-3 (20*30)*; (40*80) до 5000 0 0,13 50*100

полиамида 610 (до 20*); (25*40) 200*2000 0,5 - -

капрона (до 30*); (40*50) 5000 0,5 5*20 -

Уплотнение на скругленную

кромку, седло из стали

НХ18Н10Т, клапан из: .

эластомера (каучук- СКС-30) 10*40*; 20*2500 до 10000 0 - -

поликарбоната'ПК-М-31 250*700*; 800*10000 5000*10000 0 0,03 до 50

с.

■ ат=| р*{?(х))с1х; р=| р*{/(х),ЬрШ (10)

где р*, р* - относительное контактное давление по ширине уплотнения без учета и с учетом величины перепада Ар.

При заданном перепаде давления Ар и упругом контакте микронеровностей учечка среды через КУ для наиболее характерных случаев нагружения УС определяется из выражения

а /а? В3 (р„-р,)-р т у ш тах г2 г

(II)

где Дд^ - максимальная высота микронеровностей; р - плотность среды; I - характерный параметр зоны уплотнения; цвт - динамическая вязкость.

Предложенная модель оценки утечки среды через УС качественно и количественно объясняет поведение УС, что позволяет перейти к задаче синтеза, то есть выбора конструктивных параметров УС, обеспечивающих заданные эксплуатационные характеристики.

Условие обеспечения заданной герметичности в синтезированном соединении формулируется в виде

]г р(р2-р

I р*(/(х)}<3х= --(12)

■» И -б, ^вт г

Х1

Другим важным требованием является долговечность конструкции, которая наряду с безотказностью, определяет надежность УС. Показано, что обеспечение заданного ресурса при условии непревышения напряжений в элементах КУ допустимых значений, может быть сформулировано в виде

: Я -О*ГШ (13)

где Кд - коэффициент, учитывающий возможное кратковременное увеличение контактного давления (характеризующий отношение максимальной динамической нагрузки к статической); в ряде работ носит название коэффициента динамичности.

Разработан алгоритм расчета демпфирующей способности УС,

обобщагаций модели Гука, Максвелла, Зенера и Кельвина-Фойгта. Предложено плотность распределения р(Ь), характеризующую демпфирующие свойства материала, определять с учетом амплитудно-частотного спектра колебаний.

Представлены особенности расчета КУ с упругим оболочечным седлом как металлическим (преимущественно для агрессивных и криогенных сред), так и из полимерных или эластомерных материалов, в том числе с армирующими элементами из упругопористого материала МР (преимущественно для инертных газов и криогенных сред).

Показано, что максимальная динамическая нагрузка, возникающая при ударной посадке конического запорного органа на седло оболочечного типа, оцределяется выражением

Р^ - ?У ?+х?0Шс^сгХ&хг-гВ(агщг)1 (14)

где х0 - скорость подвижного элемента КУ с массой М, нагружаемой усилием Р.

Время * , за которое динамическое усилие достигает максимума, может быть найдено из соотношения

с, аг+(рг) х0[с1 +c2ígагíg(' аг«рг)1

ге ---(15)

И 1 ' Р

где сг - приведенная жесткость элементов привода; сг - радиальная

жесткость упругого седла; аг, <рг - соответственно, половина угла

три вершине конуса золотника и угол трения.

Проведены сравнительные испытания на герметичность типовых уплотнительных устройств серийных пневмогидроагрегатов на воздухе I газообразном гелии в интервале температур 213-333 К. Исследова-шям подвергались затворы с У-образным седлом на базе резиновой змеей 9089 и неподвижные уплотнения на основе уплотнительных конец по нормали АН-1766. Получены эмпирические зависимости тересчета утечек воздуха на гелий при фиксированных температуре и давлении.

В четвертой главе на базе результатов аналитических и экспериментальных исследований (главы 2, 3) сформулированы принципы <онструирования высокоресурсных клапанных ГПТА с регулируемыми динамическими и кинематическими параметрами в составе систем ДЛА. Троизведена систематизация указанных принципов, определены облас-ги их применения и эффективность в зависимости от вида и интен-зивности механических нагрузок и характера проявления ВВФ.

Указанные пришхиш нацелены на комплексное решение пяти сложных, взаимосвязанных научно-технических проблем, которые укрупненно можно сформулировать в виде:

I проблема. Повышение герметизирующей способности УС при минимизации усилия герметизации и энергопотребления на управление задатчиком герметизирующей нагрузки.

Решение данной проблемы базируется на следующих принципах:

- центрирование (осесимметричное приложение) герметизирующего усилия к уплотняющим поверхностям УС.

Из результатов тензометрического исследования напряжений е зоне контакта клапан-седло ряда ЮТА самолета Ту-155 следует, чтс центрирование элементов КУ, базирующееся на применении средст! подвески подвижных соединений на разрезных полимерных кольцах 1 соединение привода с запорным органом при помощи компенсационно соединительных устройств или муфт уменьшает напряжение в уплотнителе более чем в два раза;

- угловая координация контактирующих уплотняющих поверхностей кладанно-седельных пар.

Разработан ряд механизмов с координированной зоной контакт* элементов КУ, обеспечивающих ступенчатый разворот и последующу» фиксацию запорного органа относительно .седла. Экспериментальнс доказано, что для КУ типа "конус-острая кромка" это обеспечивает выбор наиболее благоприятного положения контактирующих поверхностей, при котором величина утечки может быть уменьшена на 15% пс сравнению с величиной утечки воздуха при неблагоприятном угловое расположении контактирующих зон;

- осевая разгрузка уплотняющих поверхностей от силового давления рабочей среды.

Разработан ряд конструкций механизмов разгрузки УС от входного давления (шарнирно-рычажные механизмы, дифференциально-поршневые устройства, клапанно-седельные пары с шарнирной подвеско! клапана на рычаге с регулируемой длиной плеч). Введение в ГПИ таких конструкций снижает динамические нагрузки на элементах Ю на порядок при росте ресурса полимерных уплотнителей, типа фторопласт, в 2-5 раз;

- коррекция усилия герметизации при изменении температур! рабочей среды и износе уплотнительшх поверхностей пары клапан-седло.

Разработан ряд механизмов, регулирующих величину контактное давления в УС ПГГА в зависимости от температуры рабочей среды (нг

базе пакета биметаллических пружин, изменяющих развиваемое усилие при изменении температуры; устройства, реализующие способ герметизации УС за счет автономного подогрева контактирующих поверхностей КУ от внешнего источника тепла с регулированием расхода теплоносителя в зависимости от температуры рабочей среды) и методики расчета параметров таких механизмов;

- повышение экономичности работы и исключение самопроизвольного срабатывания приводных устройств КУ в эксплуатации.

Реализация данного принципа базируется на применении агрегатов импульсного управления (АИУ), обеспечивающих перекладку и последующее самоудержание запорного органа в одном из требуемых положений путем кратковременной подачи и снятия управляющей энергии по завершению перекладки с введением в действие механизма фиксации затвора (привода).

Разработано более 10 конструкций АИУ различного типа и назначения, в том числе на базе самоуправляемого турбопривода; рычажного механизма, выполненного по схеме "ломающегося рычага" и самотормозящихся зацеплений резьбового типа.

2 проблема. Снижение динамических нагрузок на элементах- УС клапанных ГПТА при ударном контактировании путем обеспечения определенного качества их переходных процессов.

Решение данной проблемы базируется на принципах конструирования ГПТА с регулируемыми кинематическими параметрами ИО,' то есть реализации способов снижения величины механических нагрузок управлением динамических сил:

а) управление инерционной силой.

В большинстве случаев это достигается уменьшением массы движущегося к седлу,клапана в моменты его разгона и торможения. Разработаны конструкция 2-х массной и многомассной моделей приводного устройства управляемого клапана;

б) регулирование диссипативной нагрузкой (сухим и вязким трением).

Разработаны конструкции таких 'устройств на основе принудительного вращения ИО до совершения возвратно-поступательного движения и регулирования усилия поджатая контактирующей поверхности уплотнителя на рабочем ходе золотника; .

в) управление упругой силой.

Предложено клапанное устройство с регулируемой упругостью на рабочем ходе золотника и ряд конструкций газовых пружин с "ката-рактным" механизмом регулирования;

г) изменение внешней нагрузки.

Разработано семейство клапанных ГПТА с пассивным регулированием внешней нагрузки (дросселирующие элементы в виде перфорированных дисков, кулачково-золотниковых механизмов и плугасерно-силъфонных распределителей, в том числе из пористых металлически? материалов, изменяющих расходную характеристику при осевом деформировании). Предложены рекомендации по конструированию, и расчету геометрических и электромеханических параметров электромагнитные тормозных устройств;

д) управление газодинамической силой.

Разработана методика расчета газодинамической силы в двухпо-зиционных полноподъемных автоматических клапанах с учетом конструктивно-технологических факторов.

3 проблема. Обеспечение минимума величины ударных нагрузот на элементы УС (КУ) при хранении, складировании и транспортировке агрегатов, в том числе в составе систем ДЛА и ЛА.

Разработана методика по выбору типа и расчету механизмов Ю от транспортных нагрузок и ряд оригинальных конструкций таких механизмов для ГПТА различного назначения;

4 проблема. Предотвращение и устранение явлений схватывания, адгезии и льдообразования в плунжерных и золотниковых парах с обеспечением их работоспособности в условиях износа трущихся поверхностей и загрязнения рабочих сред.

Систематизированы общие правила и требования триботехники, обеспечивающие работоспособность сопрягаемых пар в условиях.износа и загрязненности рабочих сред.

Разработана методика расчета пары трения типа "вал-втулка" с консольно подвешенным клапаном с учетом динамической нагруженно-сти зон контакта.

Разработаны оригинальные механизмы принудительного разрывг адгезионных связей и примерзания поверхностей контактирующих подвижных деталей, в том числе на базе применения микротурбин и вибродвигателей;

5 проблема. Создание конструкций ГПТА с заданным уровнем надежности на основе диагностических систем и саморемонтируемых модулей систем резервирования с замещением отказавшего элемента.

Решение данной проблемы базируется на принципах построение систем функционального диагноза объектов с включением в нее встроенных в ГПТА механизма замены неисправного элемента на запасной из блока запасных частей по команде от блока парированши

неисправности.

Разработаны конструкции механизмов, обеспечивающих смену рабочей зоны КУ на новую после выработки гарантийного числа циклов (предохранительный клапан с реечным датчиком отсчета числа циклов срабатываний и электромагнитный клапан с дополнительным приводом для удаления выработавшего ресурс уплотнителя из обоймы с набором уплотнений).

Дан анализ гидродинамических свойств металлического упруго-пористого материала МР и приемы их реализации для изготовления элементов клапанной арматуры малой материалоемкости с повышенными упругодемп^фующими характеристиками (дроссели, регуляторы, редукторы, смесители, гасители колебаний, виброизоляторы, фильтры, уплотнения).

В пятой главе приведены примеры практической реализации результатов теоретико-экспериментальных исследований и принципов конструирования агрегатов систем ДЛА, оборудования и энергетических установок различного назначения:

- в агрегатах пневмогидротопливннх систем водородного ГТД НК-88 самолета Ту-155 (88.610.000, 88.610.000-1; 88.620.000, 88.620.000-1, 88.630.000; 88.640.000; 862.700; 850.500; 850.600); самолетов семейства МиГ (861.400-024, 861.400-055; 861.400-09; 861.400-И; 861.500; 862.300); двигателей ИД1И и ПДП2 изделия Н-1 (33.661.000 и 33.635.000);

- в объектах разработки АО ЗТ ВКБ РКК "Энергия" и АО "Агрегат" (пуско-отсечные клапаны и аппаратура предохранения и защиты пневмогидросистем аэрокосмической техники нового поколения);

- в агрегатах наземных топливозаправочных комплексов, оборудования и стендов (криогенные дисковые агрегаты под топливо-заправочные системы разработки ВНИИ "Криогенмаш"; агрегаты с регулированием усилия герметизации по затвору криогенного агрегата за счет газодинамического разогрева участка энергопреобразующей трубки при осциллировании диска Маха вблизи ее устья);

- в газоперекачивающих агрегатах типа ГПА-Ц-6,3 на базе ГТД НК-12СТ (НК-16СТ) для магистрального транспортирования природного газа потребителю (агрегаты типа 04.600.000 и 16.549.000);

- в устройствах и аппаратуре контроля работоспособности ИО клапанных ГПТА (бесконтактные датчики контроля кинематических параметров ИО на базе герконов, оптико-волоконных элементов и маг-нитопроводов, в том числе для криогенных водородных систем, реализованных в изделиях типа 862.700, 850.500 и 16.549.000).

0СН0ВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Решена важная научно-техническая проблема разработки методо расчета и принципов проектирования высокоресурсных клапанных ГПТА с регулируемыми динамическими и кинематическими параметрами для систем ДЛА, высоконагруженных наземных энергетических установок, машин и оборудования. На базе теоретического и экспериментального исследований выявлены и обоснованы основные этапы процессов трансформации энергии при ударном контактировании рабочих органов, определяющих качество переходных процессов в агрегатах и эксплуатационные показатели их приводных и уплотнительных устройств в составе систем ДЛА и ЛА, в том числе под действием транспортных нагрузок.

При этом получены следующие основные результаты.

1. Разработаны методы снижения динамической нагруженности приводных и уплотнительных устройств клапанных ГПТА в . составе систем ДЛА, в том числе под действием транспортных нагрузок, с определением эффективности и областей применения разгрузочных устройств и механизмов различной физической природы (термические, электрические, инерционные, диссипативные, на базе вибродвигателей).

Показано, что основные эксплуатационные показатели клапанных ГПТА - ресурс и герметичность УС силовых и уплотнительных органов при идентичности ВВФ зависят только от скорости соударения ИО, которая наряду с известными критериями прочности и герметичности определяет долговечность и безотказность уплотнительных соединений с ударным контактированием..Выявлено заметное увеличение ресурса УС всех видов при снижении скорости соударения, ИО. Причем для УС на основе полимерных уплотнителей (фторопласт, полиамид, капрон и пр.) наблюдается увеличение ресурса в пропорциональной зависимости от величины снижения скорости соударения исполнитель-!ных органов, описываемых для большинства находящихся в эксплуатации авиационных клапанных ГПТА диапазоном 0,02-2 м/с.

2. Предложены и обоснованы способы обеспечения рациональных законов движения ИО и управления динамическими и кинематическими параметрами рабочих органов клапанных ГИГА из условия их безударного контактирования и соответствия нагруженных стыков критериях прочности и герметичности с учетом демпфирующей способности материалов.

3. Разработаны модели расчета газовых и жидкостных демп$мру-

щих устройств клапанных ГПТА с регулируемой скоростью движения НО и механизмов коррекции на рабочем ходе золотника величины динамических сил: инерционной, упругой, внешней, газодинамической, циссипативной и тормозного пути, позволившие установить:

- предельное снижение скорости соударения силовых и уплотни-гельных органов при варьировании как отдельными составляющими динамических сил, так и набором составляющих (разработка и насыщение элементной базы исходных данных, обеспечиващих возможность многокритериальной оптимизации клапанных ГПТА с постоянной и переменной площадями дросселя ДМ);

- взаимосвязь времени срабатывания 'клапанного ГПТА от характера варьирования динамическими силами на рабочем ходе ИО в зависимости от вида и параметров состояния рабочей среды.

На этой основе сформулированы целевые функции проектирования «лапанного ГПТА с учетом его энергомассовой характеристики.

4. С учетом фактических скоростей контактирования ИО клапан-шх ГПТА путем введения коэффициентов динамичности Яд (соударение 1ри срабатывании агрегата по команде) и Кдт (срабатывание под действием транспортных нагрузок) разработаны:

а) метод определения герметичности УС, позволяющий:

- учитывать различные комбинации конструктивно-технологичес-сих и эксплуатационных факторов при нормированном контактном дав-юнии герметизации;

- осуществлять синтез УС с заданными эксплуатационными гока-¡ателями;

б) метод расчета и приемы конструирования специфических УС юниженной жесткости на основе упругого оболочечного седла, поли-юрных и эластомерных уплотнений, в том числе с использованием |рмирующих элементов из упругопористых металлических материалов ипа МР.

б. Расчетно-экспериментальные исследования позволили под-'вердить корректность сформулированных моделей и, в частности, становить:

- при отсутствии ограничений на быстродействие ИО эффектив-ым средством уменьшения его скорости является демпфирование, беспечивающее снижение энергии в конце хода более чем в 20 раз от 11,2 до 0,48 Дж - для конструкций со скоростями движения не олее I м/с и массой ИО до 40 кг);

- в условиях высокоэффективного демпфирования варьирование ассы даже до 50% от начального значения незначительно влияет на

скорость ИО, то есть при определенных условиях дросселировали, рабочей среды из демпферной камеры влияние массы на скорость И1 может быть сведено к минимуму;

- при отсутствии демпфирования влияние . массы на конечну скорость ИО резко возрастает, обеспечивая пропорциональное изме нение скорости движущейся массы;

- влияние жесткости пружинных звеньев на быстродействие ; конечную скорость ИО качественно аналогично влиянию изменени массы;

- полярность воздействия и неоднородность воздействия дина мических сил в тормозных механизмах клапанных ГПТА на быстродей ствие ИО, с одной стороны, и на энергию соударения, с другой определяют компромиссный характер выбора рациональных величи быстродействия, массы и скорости ИО из заданного ТЗ диапазон значений при принятом способе управления динамическими и кинема тическими параметрами агрегата.

6. Разработан комплекс научно-обоснованных, взаимосвязанны практических рекомендаций и принципов конструирования высокона дежных, с повышенными ресурсом и степенью герметизации клапанны агрегатов, их механизмов и устройств в условиях интенсификации:

- динамической нагруженности рабочих органов на этапах хрг нения, складирования, транспортировки и функционирования в состе ве систем ДЛА;

- процессов схватывания, адгезии, коррозии и льдообразоваш в плунжерных и золотниковых парах;

- загрязненности рабочих сред и износа элементов годвижнь сопряжений;

- ВВФ, в том числе при их комплексном проявлении, обусловлю вающих рост потребного усилия герметизации УС и расхода управляя щей энергии на срабатывание ГИГА.

7. Созданы различные по назначению клапанные ГПТА, успеш* эксплуатирующиеся в пневмогидротопливных системах аэрокосмическс и общепромышленной техники, включая наземные топливозаправочш комплексы, газоперекачивающие станции, оборудование, стенда, га стемы диагностирования и контроля функциональных параметров эне] говооруженных объектов с повышенными требованиями к надежноси ресурсу, герметичности и вибро, -ударозащищенности конструкций.

Таким образом, разработаны, основы проектирования клапанш ГПТА с регулируемыми динамическими и кинематическими параметра} для энерговооруженных установок аэрокосмической и других отрасли

промышленности с высокими эксплуатационными надежностью и функциональными характеристиками. Практически все объекты разработки (способы и устройства) защищены авторскими свидетельствами СССР и патентами России (из них внедрено 36 изобретений), а конструкции перспективных агрегатов малой материалоемкости с редуцирующими и уплотнительными рабочими органами из металлического упругопорис-того материала МР не.имеют аналогов в мировой практике.

Основные научные результаты диссертации защищены авторскими свидетельствами СССР Л» 625066, 824720, 859695, 881384, 916858, 974004, 983440, 1000652, I03867I, 1044876, IÛ6Ô858, II00975, I122855, II42668, Ц60161, II79279, II95I05, .1196596, 1198306, .1199102, 1292485, Ï203300, I22I444, 1268984, I295I24, 1302072, 13037.85, I3I5949, 1376672, 278223, 280857, I45I397, 1488650, I523821, I55I928, I57I345, I7I7889, I7I0907, I7056I4, 1820370, патентами России m 1765809, I8I0704, 1838703 , 2001328', '2002982, 2015528, 2020317 и изложены в следующих хронологически представленных работах: ■ .

1. Мулюкин О.П. Разработка и анализ конструкторско-техноло-гических и эксплуатационных приемов повышения надежности агрегатов автоматики систем летательных аппаратов на этапах"хранения и транспортировки // Вибрационная прочность и надёжность двигателей и систем летательных аппаратов: СБ. науч. тр. - Куйбышев: КуАИ, 1984. - С.72-80.

2. Чегодаев Д.Е., Мулюкин О.П. Управление качеством переходных процессов в пневматических приводных устройствах двигателей ЛА. -.Авиационная промышленность, №S, 1985. - С.24-28.

3. Чегодаев Д.Е., Мулюкин О.П. Управление качеством переходных процессов клапанных уплотнений /'/ Технология авиационного приборо- и агрегатостроения: Произв. технол. сб. - Саратов: НИТИ, Щ, 1986. - С.91-96.

4. Чегодаев Д.Е., Мулюкин О.П. Влияние транспортных нагрузок на работоспособность клапанных уплотнений агрегатов автоматики систем ДЛА // Технология авиационного приборо- и' агрегатостроения: Произв. технол. сб. - Саратов: НИТИ, JII, 1987!. - С.89-94.

5. Шакиров Ф.М., Мулюкин О.П., Осипов C.B. программный модуль САПР демпфирующих устройств клапанных механизмов ДЛА // Проектирование и доводка авиационных газотурбинных двигателей: Сб. науч. тр. - Куйбышев: КуАИ, 1987. - C.I33-I4I. '

6. Экспериментальные исследования предохранительного клапана / Д.Е.Чегодаев, Ф.М.Шакиров, О.П.Мулюкин, Е.В.Тушов // Вибра-

ционная прочность и надежность двигателей и систем летательные аппаратов: Сб. науч. тр. - Куйбышев: КуАИ, 1987. - C.I23-I28.

7. Чегодаев Д.Е., Мулюкин О.П., Жилюкас П.Ю. Трансформащн энергии движения клапана при некоторых способах приложения нагрузки // Технология авиационного приборо- и агрегатостроения: Произв. технол. сб. - Саратов: НИТИ, Jíl, 1988. - С.52-57.

8. Чегодаев Д.Е., Мулюкин О.П., Коленко H.H. Управление качеством переходных процессов агрегатов автоматики. - Авиационна* промышленность. - *I, 1988. - С.23-26.

9. Чегодаев Д.Е., Шакиров Ф.М., Мулюкин О.П. Динамика упру-гоподвешенных масс клапанных механизмов при вибрационном возмущении .// Вибрационная прочность и надежность двигателей и систег летательных аппаратов: Межвуз. сб. науч. тр. - Куйбышев: КуАИ, 1988. - С.79-84.

10. Чегодаев Д.Е., Мулюкин О.П., Коленко H.H. Оптимизацш переходных процессов управлением силового воздействия потока рабочей среда на золотник автоматического клапана // Технологи) авиационного приборо- и агрегатостроения: Произв. технол. сб. -Саратов: НИТИ, *I, 1989. - С.34-39.

11. Чегодаев Д.Е., Мулюкин О.П. Тенденция развития и перспективные пути повышения качества переходных процессов в тракта: авиадвигателей. - Авиационная промышленность.-#9, 1989.-С.25-28.

12. Исследование эффективности способов управления параметрами демпфирующих устройств для снижения энергии соударяпциха элементов клапанных механизмов / Д.Е.Чегодаев, Ф.М.Шакиров, О.П Мулюкин, Е.В.Тушов // Технология авиационного приборо- и агрегатостроения: Произв.технол.сб. - Саратов: НИТИ, *2,1989.-С.61-65.

13. Мулюкин О.П. К оценке динамических характеристик электромагнитных тормозных механизмов затворов // Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы динамики пневмо-гидравлических и топливных систем летательных аппаратов". - Куйбышев: КуАИ, 1990. - C.III.

14. Чегодаев Д.Е., Мулюкин О.П. Гидропневмотопливные агрегаты и их надежность. - Куйбышев: Кн. изд-во, 1990. - 104 с.

15. Мулюкин О.П., Чегодаев Д.Е., Камоцкий Э.Т. Особенносп выбора пневмоприводов криогенных клапанных агрегатов и обеспечение их работоспособности // Вибрационная прочность и надежност] двигателей и систем летательных аппаратов: Сб. науч. тр. - Куйбышев: КуАИ, 1990. - C.I0I-I09.

16. Чегодаев Д.Е., Мулюкин О.П., Пономарев Ю.К. Основные на-

)авления и перспективы промышленного использования материалов тиллярной структуры // Технология авиационного приборо- и arpe- -построения: Произв. технол. сб. - Саратов: НИТИ, №4, 1990. -46-53.

17. Tschegodajew D. ,Muljukln 0. Баз Steuerungs - und Dlagno-¡syatem der Pneumohydroausrüs tung der Objekte mit ilbstreparlerenden Verdichtungseinrichtungen // 8. Fachtagung Ldraulik und Pneumatik; Tagungsmaterialen. - Magdeburg, 1990. -463-469.

18. Особенности конструирования и расчета электромагнитных ¡тройств коррекции скорости срабатывания клапанной арматуры / Е.Чегодаев, О.П.Мулюкин, Б.Д.Белоус и др. // Технология авиаци-еного приборо- и агрегатостроения: Науч. произ. сб. - Саратов: ГГИ, #2, 1991. - С.46-51.

19. К вопросу выбора и расчета металлорезиновых деталей ре-■цирущих устройств пневмогидросистем / О.П.Мулюкин, Д.Е.Чегода-I, О.Ю.Захаров и др. // Технология авиационного приборо- и агре-1тостроения: Науч.произв.сб. - Саратов: НИТИ, Jt4, I991.-С.60-64.

20. Особенности конструирования упругих элементов ■ приводов гравляемой арматуры с использованием ЭВМ // Д.Е.Чегодаев, П.Мулюкин, Ф.М.Шакиров, С.В.Осипов' // Сборник научно-методи-ских статей по деталям машин. - Вып.8. - М.:Изд-во МПИ, 1991. -69-72.

21. Повышение износостойкости и расчет узлов трения типа л-втулка / Д.Е.Чегодаев, Е.П.Жильников, О.П.Мулюкин и др. // хнология авиационного приборо- и агрегатостроения: Науч. оизв. сб. - Саратов: НИТИ, Jí2, 1991. - С.46-51.

22. Мулюкин О.П. Особенности конструирования, изготовления и омышленного использования фильтрующих устройств из материала МР бзор) // Технология авиационного приборо- и агрегатостроения: уч. произв. сб. - Саратов: НИТИ, M, 1992. - С.51-55.

'23. Мулюкин О.П. Проблемы герметизации и ресурса динамически груженных уплотнительных соединений // Технология авиационного иборо- и агрегатостроения: Науч. произв. сб. - Саратов: НИТИ, , 1992. - С.29-33.

24. Основы расчета и перспективы развития виброизолирующих ' растраивающихся механизмов / Д.Е.Чегодаев, ОП.Мулюкин', С.В.Цих, В.Бугаков // Технология авиационного приборо- и агрегатострое-я: Науч. произв. сб. - Саратов: НИТИ, #1, 1992. - С.36-41.

25. Новые конструкции регуляторов прямого действия с элемен-

тами капиллярной структуры / Д.Е.Чегодаев, О.П.Мулюкин, Е.П Жильников и др. - Химическое и нефтяное машиностроение. - J68. 1992. - С.12-13.

26. Влияние загрязнений на работоспособность уплотнительны: устройств гидроцилиндра / О.П.Мулюкин, Д.Е.Чегодаев, Ф.М.Шакиро; и др. // Технология авиационного приборо- и агрегатостроения Науч. произв. сб. - Саратов: НИТИ, Ж2-3, 1992. - С.37-40.

27. The Construction and Designing of Components and Equip ment of Space Vehicle Pneumatic Hydrosystems made of "MR" Mate rials / D.Chegodayev, Yu Bo, O.Muljukin, F. Shakirov, V.Varivodi // The Second russian-sino Symposium on Astronautical Science am Technique. - Samara Russia, 1992. - P.36.

28. Rope Vibroisolator in Transportation Systems / S.Sokra toy, V.Kralnov, Yu Ponomarjov, O.MulJukin // The Second russian sino Symposium on Astronautical Schience and Technique. - Samari Russia, 1992. - P.38.

29. Некоторые особенности разработки и конструктивного исполнения систем и устройств резервирования агрегатов, / С.А.Петренко, Д.Е.Чегодаев, О.П.Мулюкин, .В.Д.Варивода // Ракетно-космическая техника: Науч. техн. сб. - Сер.IV. Вып.2 "Ракетные двигатели и энергетические установки (наземные испытания)". - Самара ЦНТИ "Поиск" ВФ НЦО "Энергия", 1993. - С.3-21.

30. Мулюкин О.П. К выбору средств торможения гидропривод! клацана // Тезисы докладов Всероссийской научно-практической конференции "Гидропривод. Проблемы использования конверсионных разработок в машиностроении". - Самара: СГАУ, 1994. - С.42-43.

31. Tschegodajew D., Muljukin 0., Koltugin Е. Pnerno-antriebeder Kryogenventllaggregate: Wahlbesonderheiten und Sicherung ihrer Arbeitswlrtschaltlichkelt // Vortrage. 9. Fachtagur^ Hudraulik und Pneumatik. - Dresden, 1993. - S.513-522.

32. Чегодаев Д.Е., Мулюкин О.П. Элементы клапанных устройся авиационных агрегатов и их надежность: Учебное пособие. - М.; Изд-ВО МАИ, 1994. - 208 с.

. 33. Чегодаев Д.Е., Мулюкин О.П., Колтыгин Е.В. Конструирование рабочих органов машин и оборудования из упругопористого материала MP: Учебно-справочное пособие. В 2-х частях. - Самара: НШ "Авиатор", 1994.

v34. The Designing of Rearranging Vibration Isolating Device; and the Prospects of their Development: Share I, Share 2 / D, Chegodayev, O.MulJukin, Yu Ponomaryov, Yu Shatllov, E.Koltygln //