автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.02, диссертация на тему:Разработка технологий очистки авиационных гидроагрегатов с использованием пульсирующих потоков жидкости

005013259

Решетов Виктор Михайлович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ ОЧИСТКИ АВИАЦИОННЫХ ГИДРОАГРЕГАТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПУЛЬСИРУЮЩИХ ПОТОКОВ ЖИДКОСТИ

Специальность

05.07,02 - Проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 2 [.1Д Р ¿012

Самара-2012

005013259

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)» (СГАУ) на кафедре автоматических систем энергетических установок.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Санчугов Валерий Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Кулаков Геннадий Алексеевич

доктор технических наук, доцент Ковалёв Михаил Анатольевич

Ведущая организация: ОАО «АВИАКОР - авиационный завод»,

г. Самара

Защита состоится «13» апреля 2012 г. в Ю00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.215.04 при ФГБОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)» (СГАУ) по адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГАУ

Автореферат разослан «02» марта 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

Прохоров Александр Георгиевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность.

Современные гидравлические системы летательных аппаратов - это сложнейшие функциональные системы, обеспечивающие выполнение многочисленных и ответственнейших задач на этапах взлёта, посадки и полёта летательного аппарата.

Нормативные документы устанавливают жёсткие требования к чистоте рабочих жидкостей в гидравлических системах.

С одной стороны, обеспечение высокого уровня чистоты рабочих жидкостей -это залог обеспечения необходимого уровня надёжности и ресурса гидравлических систем в эксплуатации.

С другой стороны, обеспечение чистоты рабочих жидкостей - это трудоёмкие, длительные и весьма затратные технологии, сопровождающие весь цикл производства агрегатов гидросистем, начиная с производства отдельных деталей, узлов и заканчивая отработкой полностью собранных сложнейших агрегатов.

Эти факторы определяют постоянный поиск новых технологий очистки: газожидкостных, ультразвуковых, вибрационных и гидродинамических. Работы многочисленных исследователей 70-х ... 80-х годов, среди которых следует выделить Чиркова C.B., Никитина Г.А., Данилова В.М., Свиридова А.Н., Тимиркеева Р.Г., позволили выделить в качестве наиболее перспективных гидродинамические методы очистки, основанные на использовании неустановившегося (пульсирующего) течения рабочей жидкости.

Однако, результаты исследований указанных авторов не нашли широкого применения в промышленности. Объясняется это недостаточностью исследования вопросов гидродинамики течения жидкости в очищаемых агрегатах и технологических стендах, стабильности и управляемости параметров колебаний и оценки эффективности процессов очистки.

Таким образом, проблема разработки новых более эффективных гидродинамических технологий очистки внутренних поверхностей агрегатов на основе использования неустановившегося (пульсирующего) течения жидкости является актуальной.

Целью работы является создание эффективных технологических процессов очистки внутренних поверхностей агрегатов авиационных гидравлических систем с использованием пульсирующих потоков жидкости.

Задачи исследования.

1. На основе анализа гидродинамики течения жидкости определить структурный состав технологических стендов для очистки агрегатов.

2. Создать математические модели процессов очистки различных агрегатов, определить требования и параметры отдельных узлов стендовых систем.

3. Определить области применения, режимные и технологические ограничения гидродинамической очистки агрегатов.

4. Сформулировать математические и технологические критерии оценки эффективности процессов очистки различных агрегатов для научно-исследовательских и промышленных условий применения.

5. Провести опытно-промышленную проверку выполненных разработок в условиях действующего производства на предприятиях отрасли.

Методы исследований. Общий методический подход к решению проблемы базируется на теоретическом описании гидродинамических процессов в трубопроводах и агрегатах, математическом имитационном моделировании в среде MATLAB-

з

85тиПпк. физическом натурном эксперименте в лабораторных и производственных условиях.

Достоверность разработанных моделей и полученных результатов подтверждена проведёнными физическими экспериментами автора и сравнением с экспериментальными данными других исследователей.

Объектом исследований является различные типы гидроагрегатов, в том числе непроточные, проточные агрегаты и гидроцилиндры с различными геометрическими параметрами, используемые в авиастроении.

Предметом исследований является технологический процесс и стендовое оборудование для очистки внутренних поверхностей гидроагрегатов на математических моделях и в производственных условиях.

Научная новизна:

1. Впервые разработаны математические модели процессов очистки непроточных и проточных агрегатов, учитывающие способы возбуждения колебаний, динамические характеристики объекта очистки и элементов стендовых систем.

2. Разработана методика оценки выноса частиц загрязнений из полости агрегата как необходимого условия процесса очистки.

3. Разработана методика расчёта параметров стендовых систем для обеспечения максимального расхода жидкости на входе в агрегат и максимальной эффективности отрыва частиц загрязнений.

4. Сформулированы математические критерии количественной оценки эффективности очистки агрегатов с учётом режимных параметров процессов, а также геометрии и конструкции агрегатов.

Практическая ценность.

Разработанные модели технологических процессов очистки позволяют:

- оперативно создавать новое технологическое оборудование для очистки агрегатов;

- снижать затраты времени и средств на проектирование производственных стендов;

- повысить эффективность процесса очистки и объективность контроля качества процессов очистки.

Разработанные технологические процессы очистки и стендовое оборудование позволяют увеличить количество выносимых из системы частиц в 1,5 ... 2 раза при сокращении времени очистки в 2 ... 3 раза.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- математические модели процессов очистки непроточных и проточных гидроагрегатов, учитывающие способы возбуждения колебаний, динамические характеристики объекта очистки и магистралей стендовых систем;

- методика оценки выноса частиц загрязнений из полости агрегата как необходимое условие процессов очистки;

- методика расчёта параметров стендовых систем для обеспечения максимального расхода жидкости на входе в агрегат и максимальной эффективности отрыва частиц загрязнений;

- математические критерии количественной оценки эффективности очистки с учётом отличий режимных параметров процесса, а также геометрии и конструкции агрегатов, применимые в научно-исследовательских и промышленных условиях;

- результаты экспериментальных исследований по оценке эффективности разработок в условиях действующего производства, показавшие увеличение числа выносимых при очистке частиц в 1,5 ... 2,0 раза при сокращении времени очистки в 2...3 раза.

Реализация работы на практике. Результаты проведённых исследований использованы при доработке стенда 72.612.076-03000 для гидродинамической очистки гидроцилиндров на ЗАО «Авиастар - СП» (г, Ульяновск) и разработке стенда пульсирующей очистки агрегатов шасси СПД'07.00.000 ца ОАО «Авиэкор - авиационный завод» (г. Самара).

Основные результаты выполненных исследований вошли разделами, касающимися гидродинамической очистки гидроагрегатов и гидроцилиндров, в следующие нормативно-технические материалы:

- РТМ 1727 -89 «Системы гидравлические летательных аппаратов. Методы обеспечения чистоты рабочих жидкостей при гидродинамической промывке», введенный в действие с 1 января 1990 года.

- ГОСТ 31303-2006 «Чистота промышленная. Метод очистки гидродинамический газовых и жидкостных механизмов от загрязнителей», введенный в действие с 1 марта 2008 года.

Апробация результатов исследований. Основные результаты докладывались и обсуждались на 11 конференциях, отраслевых семинарах и совещаниях, в том числе:

Научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов КуАИ (г. Куйбышев, КуАИ, 1986 г.).

Отраслевая школа-семинар «Обмен передовым опытом в области монтажа, контроля и испытаний бортовых систем летательных аппаратов (монтажно-сборочные работы)» (г. Ташкент, НИАТ, 1987 г.).

Отраслевое совещание «Технология и оборудование для промывки и испытания гидрогазовых систем и их элементов» (г. Иркутск, НИАТ, 1988 г.).

Всесоюзная научно - техническая конференция «Проблемы динамики пневмо-гвдрашшческих и топливных систем летательных аппаратов» (г. Куйбышев, 1990 г.).

Всероссийская научно-практическая конференция «Гидропривод: Проблемы использования конверсионных разработок в машиностроении» (г. Самара, 1994 г.).

Международные и Всероссийская научно-практическая конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (г. Самара, СГАУ, 1997,2009,2011 г.).

Всероссийская научно — техническая конференция «Самолетостроение России: проблемы и перспективы» (г. Самара, 2000 г.).

Научно-практическая интернет конференция "Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании" 20-27 декабря 2011 г. (сайт www.sworld.com.ua).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 работ, в том числе 6 статей в периодических и научно-технических изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, 4 статьи в сборниках Международных и Всероссийских конференций.

Структура и объём работы. Работа изложена на 199 страницах, содержит 14 таблиц и 91 рисунок, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и выбранного направления исследований, дана краткая характеристика диссертационной работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проанализировано состояние проблемы обеспечения чистоты внутренней поверхности авиационных гидроагрегатов. Показано, что чистота рабочей жидкости и внутренних полостей агрегатов в значительной мере определяет надёжность и ресурс их работы. Рассмотрено изменение весовой и объёмной концентрации загрязнений гидросистем на различных этапах их производства.

Чистота жидкости регламентируется стандартами, среди которых одним из основных является ГОСТ 17216-2001. Стандарт предусматривает подсчёт количества частиц загрязнений размером от 0,5 до 200 мкм в восьми размерных группах и делит их на 17 классов чистоты.

До начала 70-х годов в промышленности повсеместно использовалась очистка стационарным потоком, основанная на законах классической гидравлики и работах Башты Т.М., Никитина К.А., Чиркова C.B. и других ученых. Позднее стали появляться газожидкостные, ультразвуковые, гидродинамические и другие методы очистки. Наибольший вклад в обеспечение чистоты авиационных агрегатов внесли

A.Н. Свиридов, Д.И. Дерябин, Р.Г. Тимиркеев, В.М. Данилов, В.М. Ваганов,

B.И. Санчугов и другие.

Исследования А.Н. Свиридова, которые выполнялись с использованием радиоизотопного метода, посвящены разработке теоретической модели удаления частиц с поверхности, на которую искусственным образом наносится эталонный загрязнитель. Исследования показали, что использование пульсирующих потоков жидкости увеличивают эффективность процесса очистки.

Аналогичные результаты дали исследования В.М. Данилова и Р.Г. Тимиркеева, которые показали, что использование нестационарного потока жидкости однозначно увеличивает эффективность процесса.

Наиболее убедительные результаты в области очистки стали появляться с конца 80-х годов на основе исследований в области гидродинамики периодического течения жидкости, выполненных в научной школе академика РАН В.П. Шорина А.Г. Гимадиевым, Е.В. Шахматовым, В.И. Санчуговым и другими авторами. Особенностью этих работ является учёт и использование динамических характеристик агрегатов и трубопроводов в расчётах неустановившегося течения жидкости.

В рассматриваемых работах:

- созданы общие принципы построения технологических процессов испытаний и отработки агрегатов, использующих пульсирующие потоки жидкости;

- разработаны структурные схемы технологических стендов, содержащих новые специальные узлы для оптимизации и локализации режимов высокоамплитудного течения жидкости;

- разработаны конструктивные схемы генераторов колебаний, обеспечивающих возбуждение гидроударных и вынужденных периодических колебаний жидкости в широком диапазоне амплитуд и частот колебаний.

На основе анализа состояния вопроса, выполненного в первой главе, сформулированы цель и задачи исследований.

Вторая глава диссертации посвящена исследованию гидродинамики течения жидкости при очистке агрегатов с фиксированным объёмом полости.

б

Исследования базируются на импедансном методе описания динамических процессов течения жидкости. При этом обобщённая модель гидроагрегата (рис.1) представлена в виде совокупности полости, внутренних и наружных соединительных каналов.

Рис. 1. Обобщенная схема гидравлического агрегата: 1 - внешний соединительный канал; 1 - внутренний («шал; 3 - внутренняя чр-тость агрегата; 4 - выходной присоединительный канал

При описании процессов в соединительных каналах принимаются во внимание инерция столба жидкости и гидравлическое сопротивление:

гк = Яе2>+ ]1тХк.

Вещественная часть импеданса Яе г, рассчитывается по известным соотношениям гидравлики с учётом корректива, учитывающего увеличение гидравлического сопротивления за счёт нестационарности профиля местных скоростей.

Для определения мнимой составляющей импеданса используется выражение

где со - круговая частота, р - плотность жидкости, /,,5, - длина и площадь поперечного сечения участка канала, у = 4-1, Ь - «индуктивность» канала.

Полости рассматриваются как реактивные сопротивления, и их динамические свойства определяются импедансом:

7 .Раг .1 " 7 7 соС

пр

где а - скорость звука; - приведенный объём полости; С — «ёмкость» полости.

При очистке непроточных агрегатов рассматриваются два способа возбуждения колебаний:

- возбуждение гидроударным способом, осуществляемое быстродействующим подключением изделия к гидролиниям нагнетания и слива;

- возбуждение гармоническим изменением расхода жидкости.

Для очистки непроточных агрегатов на основе рекомендаций Санчугова В.И. разработана схема очистки непроточных агрегатов при гидроударном возбуждении колебаний, представленная на рис.2. Принцип действия схемы заключается в том, что при подключении объекта очистки к гидролинии нагнетания в полости объекта возбуждаются затухающие колебания давления и расхода жидкости. При срабатывании генератора колебаний давление в полости объекта падает за счёт слива жидкости в сливную гидролинию.

Для исследования течения жидкости в рассматриваемой системе создана математическая модель. Моделирование выполнялось в среде МАТЪАВ 8шш1тк. Структурная схема математической модели представлена на рис.3.

Проверка адекватности математической модели осуществлялась сравнением результатов расчёта по представленной модели с результатами физических экспериментов, выполненных ранее при создании методов ускоренных эквивалентных

испытаний агрегатов. Проверка подтвердила удовлетворительную сходимость результатов как по частоте, так и по амплитуде возбуждаемых колебаний.

Рис. 2. Схема возбуждения гидроударных колебаний при очистке непроточных агрегатов:

БВД, БНД - баллон высокого и низкого давления; ДР - регулируемый дроссель;

ГКЖ - генератор колебаний жидкости; М - привод; ПО 1, П02 - пробоотборники жидкости;

00 - объект очистки; 1,2,3- соединительные магистрали

&г

•Е>

/

}

foji wft. »тя-z

L;CS?+R2CS+1

«« i» f

□

О

Рис. 3. Модель исследования колебаний жидкости при очистке непроточных агрегатов

В результате исследований, выполненных с использованием модели, было определено:

- максимальные скорости течения жидкости на входе в очищаемый агрегат могут достигать до 250 м/с (рис. 4);

- подключение гидролинии слива должно осуществляться в момент достижения первого максимума давления в полости очищаемого агрегата;

- продолжительность открытия магистрали нагнетания не должна превышать 50% периода собственных колебаний системы «стендовая магистраль — объект очистки»;

- Добротность магистрали нагнетания должна быть максимальной, а добротность магистрали слива должна обеспечивать безкавитационный процесс сброса давления.

4

||

л л

„

п. о

5 5 1

*

п

п к й « 2 к

1 1

N

ч,

к

V

] ! 1 •

к» <

1

1

О 2 4 6 8 10 12 14 16

Диаметр входной магистрали, ^ мм

Рис. 4. Достижимые скорости течения жидкости на входе в объект очистки (У„=Н0"3 м3, ^=50 Гц) при Рнаг„=10 МПа (—) и Р„„,=20 МПа (- -)

Выполненные исследования позволили решить следующие задачи:

- разработать методику оценки возможности применения разрабатываемой технологии;

- разработать методику расчёта условий максимального отрыва частиц загрязнений со стенок очищаемого агрегата.

Первая методика заключается в расчётном определении порций объёма жидкости, вытекающих из полости агрегата, и сравнении их с минимальным объёмом соединительной магистрали между генератором колебаний и полостью объекта очистки, обеспечивающим вынос частиц загрязнений.

Вторая методика заключается в расчёте геометрических параметров стендовой системы и параметров работы генератора колебаний, обеспечивающих максимальные значения расхода жидкости в полости агрегата и ограниченных условиями сохранения прочности агрегата.

Для очистки непроточных агрегатов на режимах вынужденных периодических колебаний разработана схема с параллельным размещением дроссельного генератора колебаний на входе в объект очистки (рис. 5)

—< °о

БВД "^С-

¿71,

о

<-

вид

№

Рис. 5. Схема очистки непроточных агрегатов с параллельным подключением ГКЖ

на сливе жидкости

Пример математической модели течения жидкости представлен на рис. 6. Параметры стендовой системы:

- давление нагнетания Рнаг„=5-МПа;

- производительность генератора колебаний ЛдЭ=00= МО"3 м3/с;

- объём полости объекта очистки -1-Ю"3 м3;

- трубопровод 1 - внутренний диаметр <1у=10 мм, длина 1=0,2 м;

- трубопровод 3 - внутренний диаметр <1у=10 мм, длина £=0,3 м;

Модель позволяет определить:

- параметры пульсирующего потока жидкости (давление и расходы) в различных сечениях гидравлической системы;

- исследовать влияние геометрических параметров трубопроводов стендовой системы на режимы течения жидкости в полости объекта очистки;

- оценить требования и размещение агрегатов стендовой системы и область реализации технологии пульсирующей очистки.

Рис. 6. Модель исследования схемы очистки при возбуждении вынужденных колебаний жидкости Результаты расчётов выводятся на осциллографы в виде синусоидальных сигналов изменения давления и расхода жидкости или представляются в графической форме (рис. 7).

ЗСО 400 500 600 700

Круговая частота, ьу=2п[, рзд/с

Рис. 7. Колебания давления жидкости в объекте очистки ОО (трубопровод 3 - (1у=10 мм, 00,3 м; объём полости 00 У00=НО"3 м3)

Исследования на модели показали следующее.

1. Достигаемые расходы и скорости течения жидкости в несколько раз превосходят значения, достигаемые при стационарной очистке.

2. Ограничения применимости технологии по выносу частиц загрязнений и сохранению прочности агрегата носят такой же характер, как и при использовании гидроударного способа возбуждения колебаний, изложенного ранее. Для очистки проточных агрегатов разработана схема, представленная на рис. 8.

Особенностью схемы является размещение на выходе объекта очистки блока граничных условий, выполненного в виде соединительного канала и полости. Сюда же в параллельную магистраль подключается дроссель постоянного расхода и пробоотборник.

БГУ

Рис. 8. Схема очистки проточных агрегатов с параллельным подключением ГКЖ на входе и блоком граничных условий (БГУ) на выходе из полости агрегата Преимуществами данной схемы являются:

- работа генератора колебаний в потоке чистой жидкости;

- снижение уровня колебаний давления жидкости в объекте очистки.

Как и для схем очистки непроточных агрегатов, разработана математическая модель рассматриваемой стендовой системы, выполнены необходимые расчёты, показавшие следующее:

- очистка проточных агрегатов реализуется для любых типоразмеров агрегатов;

- пульсирующую очистку целесообразно проводить на частотах колебаний, близких к собственной частоте объекта очистки и блока граничных условий.

Третья глава диссертации посвящена разработке схем и методов гидродинамической очистки гидроцилиндров.

Авиационная промышленность разрабатывает и выпускает огромное число схем и конструкций гидроцилиндров.

Для оценки конструктивных особенностей гидроцилиндров, определяющих режимы их очистки, в диссертации проанализировано более трехсот гидроцилиндров различных схем и вариантов конструктивного исполнения. По геометрическим параметрам гидроцилиндров определены:

- диапазоны объёмов полостей от 0,0025 дм3 до 12,64 дм3;

- объёмы невытесняемой жидкости от 0,26% до 80,4% от общего объёма;

и

- объёмы трубопроводов и каналов от 0,005% до 20,5% от общего объёма.

Выполненные расчёты скорости жидкости на входе в полость не превышают

10... 12 м/с, что объясняет низкую эффективность очистки гидроцилиндров простой прокачкой жидкости.

Основной особенностью гидроцилиндров как объектов очистки является изменение внутреннего объёма полостей при срабатывании. При этом в отличие от моделей агрегатов с фиксированным объёмом полостей, рассмотренных во второй главе диссертации, импеданс полости изменяется в весьма значительных диапазонах, Это приводит, с одной стороны, к изменению собственной частоты стендовой системы «подводящий трубопровод - полость гидроцилиндра» и, с другой стороны, к непрерывному изменению амплитуды колебаний давления в полости.

С учётом этих особенностей предложены два метода очистки гидропилиндров:

- отрыв частиц загрязнений пульсирующим потоком при неизменном положении штока и максимальном объёме очищаемой полости. Затем после выключения генератора колебаний выполняют срабатывание гидроцилиндра для удаления оторванных частиц загрязнений из полости;

- отрыв частиц загрязнений при увеличении объёма очищаемой полости с последующей перекладкой штока цилиндра при непрерывно работающем генераторе колебаний.

Для обоих методов разработаны схемы подключения генераторов колебаний гидроударного возбуждения и возбуждения вынужденного периодического движения жидкости.

В качестве примера на рис. 9 представлена схема очистки гидроцилиндра.

Рис. 9. Схема очистки гидроцилиндров с использованием вынужденных колебаний

с двумя генераторами колебаний жидкости: БНД - баллон низкого давления; ВН - вентиль; ГКЖ - генератор колебаний жидкости; ГС - гаситель колебаний; М - привод ГКЖ (мотор), ПО - пробоотборник; Р - распределитель потока; Ф - фильтр; Ц (ОО) - цилиндр (объект очистки)

Четвертая глава диссертации посвящена исследованиям эффективности процессов очистки агрегатов. С целью получения объективных результатов использования различных технологий очистки при опытных разработках и серийном производстве сформулированы критерии оценки процессов очистки агрегатов. В качестве таких критериев предложено использовать:

• Критерий дополнительно выносимых частиц при различных расходах рабочей жидкости

где б0] и Q,n - средние расходы жидкости при новой и базовой технологиях

очистки; Т„ - общее время очистки, Т„ Ai - интервал времени отбора

i+i

проб жидкости; л - количество отобранных проб; Nja, ЛГ 2 - число частиц загрязнений j-ой размерной фракции в фиксированный момент времени i в стандартной пробе (VCT.„p = 0,1 дм3).

Этот же критерий может быть определен в интегральной форме:

Т

= JK (<)&, - N:¡1 (t)Q01 Jft ■

ш.щ» О

• Критерий дополнительно выносимых частиц по отношению к базовой технологии:

Къф =-щ-й—100%,

QtaiNja i

или в интегральной форме:

КЪФ =-5--т-100%.

о

• Критерий относительного количества выносимых частиц с единицы площади поверхности S изделий различных конструкций:

_ s jR.W&.-AWOflBk = ---100%.

PVOña*

о

Экспериментальные работы по оценке эффективности процессов очистки проводились в производственных условиях на Ульяновском заводе ЗАО «Авиастар -СП» и Самарском ОАО «Авиакор - авиационный завод».

Результаты очистки гидроцилиндров самолета Ан-124 для фракций 10. ..25 мкм и 25...50 мкм при гидродинамической и действующей технологиях представлены на рис. 10.

Результаты контрольных испытаний по очистке гидроцилиндров показали следующее:

- очистка полостей гидроцилиндров с использованием пульсирующих потоков снизила трудоёмкость процессов очистки с 10 нормо-часов до 4...5 нормо-часов;

- количественная оценка эффективности гидродинамической очистки показала, что количество выносимых из системы частиц увеличивается в 1,5...2 раза при сокращении времени очистки в 2...3 раза.

е 3 10 12 И 16 13 М 22 2-1 2в Вр'ЗМЯ промывки. I МНИ.

а)

Время промывки, Т. мин. 6)

Рис. 10. Очистка гидроцилиндра самолёта Ан-124 при гидродинамической и действующей технологиях очистки а) - число частиц загрязнений размером 10.. .25 мкм, б) - число частиц загрязнений размером 25.. .50 мкм, выносимых из полости гидроцилиндра (♦—♦ очистка пульсирующим потоком; ■-.-.-■ очистка стационарным потоком)

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ В диссертационной работе решены задачи создания технологических процессов очистки внутренней поверхности гидроагрегатов с использованием пульсирующих течений жидкости, имеющие существенное значение для машиностроения.

Получены следующие основные результаты: 1. На основе анализа гидродинамики течения жидкости определён структурный состав и разработаны принципиальные схемы технологических стендов для очистки проточных и непроточных агрегатов и гидроцилиндров.

2. Впервые разработаны математические модели процессов очистки непроточных и проточных гидроагрегатов, учитывающие способы возбуждения колебаний, динамические характеристики объекта очистки и элементов стендовых систем.

3. Разработана методика оценки выноса частиц загрязнений из полости агрегата как необходимого условия процесса очистки.

4. Разработана методика расчёта параметров стендовых систем для обеспечения максимального расхода жидкости на входе в агрегат и максимальной эффективности отрыва частиц загрязнений.

5. Предложены математические критерии количественной оценки эффективности процессов очистки с учётом отличий режимных параметров процесса, а также геометрии и конструкции агрегатов, которые могут быть использованы в научно-исследовательских работах и в производственных условиях.

6. Созданы опытные и промышленные образцы технологических стендов для очистки агрегатов, проведены работы по оценке эффективности разработок в условиях действующего производства. Показано, что разработанные технологии позволяют в 1,5...2,0 раза увеличить число выносимых из агрегата частиц загрязнений и в 2.. .3 раза сократить время очистки.

7. Выполненные разработки вошли составной частью в отраслевой руководящий материал авиационной техники РТМ 1727 -89 «Системы гидравлические летательных аппаратов. Методы обеспечения чистоты рабочих жидкостей при гидродинамической промывке», введенный в действие с 1 января 1990 года и межгосударственный стандарт ГОСТ 31303-2006 «Чистота промышленная. Метод очистки гидродинамический газовых и жидкостных механизмов от загрязнителей», введенный в действие с 1 марта 2008 года.

Основное содержание работы изложено в 26 публикациях, основные из которых: в ведущих рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК России:

1. Мещеряков, С.С. Интенсификация процесса очистки внутренних полостей гидроцилиндров пневмогидроударным методом [Текст] / С.С. Мещеряков,

В.П. Показеев, В.М. Решетов // Известия Самарского научного центра РАН. — Самара, 1999. - Т.1, № 2. - С. 342-347.

2. Решетов, В.М. Газожидкостная очистка трубопроводных магистралей изделий, работающих при низком рабочем давлении [Текст] / В.М. Решетов,

В.И. Санчугов // Известия Самарского научного центра РАН. - Самара, 1999. -Т.1, №2.-С. 348-352.

3. Решетов, В.М. Особенности промывки гидроцилиндров различных схем пульсирующим потоком жидкости [Текст] / В.М. Решетов // Известия Самарского научного центра РАН. - Самара, 2009. - Т. 11, № 5. - С. 198-203.

4. Санчугов, В.И. Эффективность процессов гидродинамической очистки гидроагрегатов и систем [Текст] / В.И. Санчугов, В.М. Решетов // Известия Самарского научного центра РАН. - Самара, 2009. - Т.11, № 5. - С. 204-207.

5. Санчугов, В.И. Структурное построение стендов для гидродинамической очистки агрегатов гидротопливных систем [Текст] / В.И. Санчугов, В.М. Решетов // Известия Самарского научного центра РАН. - Самара, 2010. - Т. 12, № 4. - С. 210-214.

6. Санчугов, В.И. Снижение загрязнённости агрегатов гидропривода машин и механизмов на основе гидродинамической очистки [Текст] / В.И. Санчугов,

В.М. Решетов 11 Известия Самарского научного центра РАН. - Самара, 2011 -Т. 13, № 6. - С. 264-268. в других изданиях:

7. Решетов, В.М. Гидродинамическая промывка внутренней поверхности гидроцилиндров [Текст] / В.М. Решетов // Труды 4-ой науч. техн. конф. мол. учёных и специалистов КуАИ. - Куйбышев, КуАИ, 1986. - С. 38-46.

8. Санчугов, В.И. Проектирование, особенности монтажа и эксплуатации стендов для гидродинамической промывки трубопроводов и агрегатов [Текст] / В.И. Санчугов, В.М. Решетов, С.С. Мещеряков // Обмен передовым опытом в области монтажа, контроля и испытаний бортовых систем летательных аппаратов (монтажно-сборочные работы): Сб. тезисов докладов. - М., НИАТ, 1987. - С. 31-32.

9. Санчугов, В.И. Основные результаты опытно-промышленной проверки технологии гидродинамической промывки гидроцилиндров [Текст] / В.И. Санчугов,

B.М. Решетов, А.И. Вдовин // Обмен передовым опытом в области монтажа, контроля и испытаний бортовых систем летательных аппаратов (монтажно-сборочные работы): Сб. тезисов докладов. - М., НИАТ, 1987. - С. 35-36.

10. Решетов, В.М. Гидродинамическая промывка проточных агрегатов [Текст] / В.М. Решетов // Проблемы динамики пневмогидравлических и топливных систем летательных аппаратов: Тезисы докладов Всесоюзной научно - технической конференции (17-22 июня 1990 г., г. Куйбышев.). - Куйбышев, КуАИ 1990 -

C.117.

11. Санчугов, В.И. Интенсификация процессов очистки внутренней поверхности гидроцилиндров [Текст] / В.И. Санчугов, В.М. Решетов // Проблемы и перспективы развития двигателестроения в Поволжском регионе. - Самара СГАУ 1997,-Т.2.-с. 308-313.

12. Санчугов, В.И. Гидродинамические технологии испытаний и очистки элементов гидротопливных систем [Текст] / В.И. Санчугов, В.М. Решетов, В.П. По-казеев // Проблемы и перспективы развития двигателестроения: материалы докладов междунар. науч.-техн. конф. 24-26 июня 2009 г. - Самара, СГАУ 2009 - В 2 Ч., 4.2.-С. 168-170.

13. Решетов, В.М. Гидродинамическая промывка непроточных агрегатов гид-ротошшвных систем [Текст] / В.М. Решетов // Авиационная и ракетно-космическая техника: Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. - Самара, СГАУ, 2009. - №3 (19). - С. 59-66.

14. Решетов, В.М. Особенности и результаты моделирования в среде SIMULINK гидроударной очистки агрегатов [Текст] / В.М. Решетов // Проблемы и перспективы развития двигателестроения: материалы докладов междунар. на-уч.-техн. конф. - Самара: СГАУ, 2011. - В 2 Ч. 4.2. - С. 88-89.

Подписано в печать 29 февраля 2012 г. Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная Усл. п. л. 1.0 Тираж 100 экз. Заказ №1831 Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии AHO "Издательство СНЦ РАН", 443001, Самара, Студенческий пер, ЗА.

ФГБОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)»

61 12-5/3795 На правах рукописи

РЕШЕТОВ ВИКТОР МИХАЙЛОВИЧ

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ ОЧИСТКИ АВИАЦИОННЫХ ГИДРОАГРЕГАТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПУЛЬСИРУЮЩИХ

ПОТОКОВ ЖИДКОСТИ

05.07.02 - Проектирование, конструкция и производство летательных

аппаратов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ - д.т.н., профессор

САНЧУГОВ В.И.

Самара - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................4

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЧИСТОТЫ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ГИДРОАГРЕГАТОВ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ....................................................................................................9

1.1 Влияние чистоты рабочей жидкости на надежность, ресурс и характеристики гидросистем................................................................................9

1.2 Методы очистки внутренней поверхности гидроагрегатов..............21

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СХЕМ И МЕТОДОВ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ АГРЕГАТОВ........................................35

2.1 Особенности назначения, конструкции и динамические характеристики гидроагрегатов как объектов очистки...................................35

2.2 Очистка непроточных агрегатов..........................................................55

2.2.1 Очистка непроточных агрегатов на режимах гидроударных колебаний.........................................................................................................60

2.2.2 Очистка непроточных агрегатов на режимах вынужденных периодических колебаний жидкости.............................................................86

2.3 Очистка проточных агрегатов..............................................................98

2.4 Выводы по разделу..............................................................................106

3. ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА ГИДРОЦИЛИНДРОВ...........108

3.1 Анализ схем и конструктивных особенностей гидроцилиндров

летательных аппаратов.....................................................................................108

3.2. Особенности гидродинамических характеристик и методов очистки гидроцилиндров..................................................................................116

3.2.1. Очистка при постоянном возбуждения колебаний и срабатывании гидроцилиндра......................................................................121

3.2.2. Очистка при неподвижном штоке с последующей статической перекладкой штока гидроцилиндра.......................................126

3.3 Построение схем технологических процессов при гидродинамической очистке гидроцилиндров...........................................128

3.3.1. Схемы с возбуждением вынужденных колебаний жидкости. 128

3.3.2. Схемы с возбуждением гидроударных колебаний жидкости. 130

3.4. Экспериментальные исследования параметров течения жидкости при очистке гидроцилиндров.........................................................133

3.5 Выводы по разделу..............................................................................142

4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ................................................................................................144

4.1. Критерии оценки эффективности очистки гидроагрегатов...........144

4.2. Разработка технологии пульсирующей очистки гидроцилиндров самолёта Ан-124................................................................................................146

4.2.1. Доработка стенда 72.612.076-03000, разработанного на Ульяновском авиационно-промышленном комплексе ЗАО «Авиастар -СП»..................................................................................................................147

4.2.2. Технология пульсирующей очистки.........................................152

4.2.3. Результаты очистки гидроцилиндров.......................................154

4.3. Разработка технологии очистки подкос-цилиндра основной опоры шасси самолёта Ту-154.........................................................................158

4.3.1. Стенд пульсирующей очистки агрегатов шасси СПД-07.00.000................................................................................................160

4.3.2. Технология очистки гидроцилиндров.......................................164

4.3.3. Результаты очистки подкос-цилиндра......................................170

4.4 Использование разработок в нормативно-технических

материалах..........................................................................................................176

4.5. Выводы по разделу.............................................................................177

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ................................................179

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.............................................................................183

ВВЕДЕНИЕ

Современные гидравлические системы летательных аппаратов - это сложнейшие функциональные системы, обеспечивающие выполнение многочисленных и ответственнейших задач на этапах взлёта, посадки и полёта летательного аппарата.

Нормативные документы устанавливают жёсткие требования к чистоте рабочих жидкостей в гидравлических системах.

С одной стороны, обеспечение высокого уровня чистоты рабочих жидкостей - это залог обеспечения необходимого уровня надёжности и ресурса гидравлических систем в эксплуатации.

С другой стороны, обеспечение чистоты рабочих жидкостей - это трудоёмкие, длительные и весьма затратные технологии, сопровождающие весь цикл производства агрегатов гидравлических систем, начиная с производства отдельных деталей, узлов и заканчивая отработкой полностью собранных сложнейших агрегатов.

Эти факторы определяют постоянный поиск новых технологий очистки: газожидкостных, ультразвуковых, вибрационных и гидродинамических. Работы многочисленных исследователей 70-х ... 80-х годов, среди которых следует выделить Чиркова C.B., Никитина Г.А., Данилова В.М., Свиридова А.Н., Тимиркеева Р.Г., позволили выделить в качестве наиболее перспективных гидродинамические методы очистки, основанные на использовании неустановившегося (пульсирующего) течения рабочей жидкости.

Однако, результаты исследований указанных авторов не нашли широкого применения в промышленности. Объясняется это недостаточностью исследования вопросов гидродинамики течения жидкости в очищаемых агрегатах и технологических стендах, стабильности и управляемости параметров колебаний и оценки эффективности процессов очистки.

Таким образом, проблема разработки новых более эффективных гидродинамических технологий очистки внутренних поверхностей агрегатов на основе использования неустановившегося (пульсирующего) течения жидкости является актуальной.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Впервые разработаны математические модели процессов очистки непроточных и проточных гидроагрегатов, учитывающие способы возбуждения колебаний, динамические характеристики объекта очистки и магистралей стендовых систем;

2. Разработана методика оценки выноса частиц загрязнений из полости агрегата как необходимое условие процессов очистки;

3. Разработана методика расчёта параметров стендовых систем для обеспечения максимального расхода жидкости на входе в агрегат и максимальной эффективности отрыва частиц загрязнений;

4. Сформулированы математические критерии количественной оценки эффективности очистки с учётом отличий режимных параметров процесса, а также геометрии и конструкции агрегатов, применимые в научно-исследовательских и промышленных условиях;

5. Получены результаты экспериментальных исследований по оценке эффективности разработок в условиях действующего производства, показавшие увеличение числа выносимых при очистке частиц в 1,5 ... 2,0 раза при сокращении времени очистки в 2.. .3 раза.

Диссертация выполнена в ФГБОУ ВПО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)» (СГАУ) на кафедре автоматических систем энергетических установок (АСЭУ).

Исследования проводились в лаборатории пневмогидросистем кафедры АСЭУ, оценка эффективности разработанных технологий очистки

гидроцилиндров - на предприятиях авиационной отрасли: ЗАО «Авиастар -СП» (г. Ульяновск) и ОАО «Авиакор - авиационный завод» (г. Самара).

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографии.

В первой главе проанализировано состояние проблемы обеспечения чистоты внутренней поверхности авиационных гидроагрегатов. Показано, что чистота рабочей жидкости и внутренних полостей агрегатов в значительной мере определяет надёжность и ресурс их работы. Рассмотрено изменение весовой и объёмной концентрации загрязнений гидросистем на различных этапах их производства, выделены наиболее опасные виды загрязнений для работы гидроагрегатов. Проведён анализ исследований в области гидродинамической очистки. На основании проведённого анализа в первой главе диссертации сформулированы цель и задачи исследований.

Вторая глава диссертации посвящена исследованию гидродинамики течения жидкости при очистке агрегатов с фиксированным объёмом полости.

Исследования базируются на импедансном методе описания динамических процессов течения жидкости. Приведена обобщённая модель гидроагрегата, представленная в виде совокупности полости, внутренних и наружных соединительных каналов с учётом упругого сопротивления полостей, активного и инерционного сопротивления соединительных каналов.

На основе анализа гидродинамики течения жидкости разработаны схемы очистки, определён структурный состав технологических стендов для очистки непроточных и проточных агрегатов. Созданы математические модели процессов очистки различных агрегатов, определены требования и параметры отдельных узлов стендовых систем, области применения, режимные и технологические ограничения гидродинамической очистки агрегатов.

Моделирование основных элементов стендовых систем выполнялось в среде МайаЬ-8ти1тк на основе составления передаточных функций для пассивных элементов цепей и параметров возбуждаемых колебаний - для

источников колебаний жидкости. Проверка адекватности математической модели осуществлялась сравнением результатов расчёта по разработанной модели с результатами физических экспериментов, выполненных ранее при создании методов ускоренных эквивалентных испытаний.

На основе выполненных исследований разработаны методика оценки возможности применения разрабатываемой технологии по условию выноса загрязнений из полости агрегата и методика расчёта условий максимального отрыва частиц загрязнений со стенок очищаемого агрегата с учётом

сохранения прочности агрегата.

Третья глава диссертации посвящена разработке схем и методов гидродинамической очистки гидроцилиндров.

Для оценки конструктивных особенностей гидроцилиндров, определяющих режимы их очистки, в диссертации проанализировано более трехсот гидроцилиндров различных схем и вариантов конструктивного исполнения.

Основной особенностью гидроцилиндров как объектов очистки является изменение внутреннего объёма полостей при срабатывании, что приводит к изменению импеданса очищаемой полости, а значит и к изменению собственной частоты стендовой системы «подводящий трубопровод - полость гидроцилиндра» и к непрерывному изменению амплитуды колебаний давления в полости. С учётом этих особенностей предложены два метода очистки гидроцилиндров:

- отрыв частиц загрязнений пульсирующим потоком при неизменном положении штока и максимальном объёме очищаемой полости. Затем после выключения генератора колебаний выполняют срабатывание гидроцилиндра для удаления оторванных частиц загрязнений из полости;

- отрыв частиц загрязнений при увеличении объёма очищаемой полости с последующей перекладкой штока цилиндра при непрерывно работающем генераторе колебаний.

Для обоих методов разработаны схемы подключения генераторов колебаний гидроударного возбуждения и возбуждения вынужденного периодического движения жидкости.

Четвертая глава диссертации посвящена исследованиям эффективности процессов очистки агрегатов. С целью получения объективных результатов использования различных технологий очистки при опытных разработках и серийном производстве разработаны и аналитически сформулированы критерии оценки процессов очистки агрегатов, учитывающие расход рабочей жидкости и площадь очищаемой поверхности в абсолютной, относительной и интегральной форме.

Приведены результаты экспериментальных работ по оценке эффективности процессов очистки при гидродинамической и действующей технологиях, проводимых в производственных условиях на Ульяновском заводе ЗАО «Авиастар - СП» и Самарском ОАО «Авиакор - авиационный завод».

В заключении даны основные результаты и выводы по работе.

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЧИСТОТЫ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ГИДРОАГРЕГАТОВ.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Влияние чистоты рабочей жидкости на надежность, ресурс и характеристики гидравлических систем

Технический прогресс в машиностроении, усложнение конструкции и расширение рабочих функций машин при одновременно значительном повышении требований к их ресурсу и эксплуатационной надежности поставили проблему высокоэффективной очистки деталей, агрегатов и систем машин в ряд наиболее важных проблем современной техники и технологии. Особую опасность представляет нарушение нормальной работы агрегатов жидкостных систем (гидравлических, топливных, масляных и др.) летательных аппаратов (ЛА). По данным статистических материалов отечественных и зарубежных исследований, 13 % отказов самолетов происходит из-за неисправностей гидравлических систем и 5% топливных [116], при этом до 50% их обусловлено наличием в рабочей жидкости загрязнений [78]. Загрязнениями в жидкости считаются все твердые посторонние частицы, включая нерастворимые продукты смолообразования, органические вещества, колонии бактерий и продукты их жизнедеятельности, содержание которых регламентируется ГОСТ 17216-2001 [38], а также растворенные или находящиеся в свободном состоянии воздух и вода.

Современные гидравлические системы автоматического управления летательных аппаратов (ЛА) обладают высокой точностью и быстрой реакцией на командные сигналы. Эти качества достигаются, главным образом, благодаря применению в гидроусилителях, рулевых машинах и других сервомеханизмах прецизионных устройств с весьма малыми (измеряемыми микронами) диаметральными зазорами и перекрытиями золотниковых пар и значительному повышению рабочих давлений до 28 МПа и выше (до 55,2 МПа

на разрабатываемых перспективных моделях). Так, например, золотниковые распределители, применяемые на современных самолетах, имеют зазоры от 3 до 15 мкм. Надежность действия таких агрегатов в большей степени зависит от чистоты рабочей жидкости и внутренних полостей жидкостных систем. Повышение лишь в 1,5...2 раза чистоты гидравлической системы позволяет в 5...7 раз увеличить ее ресурс и в 2...3 раза сократить расходы на

эксплуатацию [28].

Многие исследователи [28, 27, 54, 61, 116, 117, 94], занимающиеся определением физико-химического состава загрязнителей и их свойств, склонны считать, что все находящиеся в рабочей жидкости частицы загрязнений разделяются на два вида: неорганические и органические (табл. 1.1 [94], а также рис. 1.1 ирис. 1.2 [116]).

Таблица 1.1

Состав загрязнителей рабочей жидкости гидравлических систем JIA [94]

Виды загрязнителей Доля загрязнителей, % Состав загрязнителей

объемная массовая

Неорганические 60...75 90...95 Ре204, А1203, БЮг, МеО, СГ№, конструкционные и абразивные материалы, бронза, латунь и др.

Органические 25...40 5...10 Клей, резина, фторопласт, смолы, лаки, герметики, ткани, смазочные материалы, красители и др.

По данным, полученным на основании спектрального анализа смеси загрязнений, около 93-97 % [116] загрязнений имеет неорганическую природу и содержит более 50 химических элементов [50], при этом преобладают частицы алюминия (20%), кремния (15%), железа (15%), марганец, хром, никель (по 1...2%), магния, свинец, олово, кальций, натрий (по 1%). Эти элементы входят в состав производственных загрязнений (атмосферная пыль),

Цех

сборки и монтажа крыла

Цех превваритель-ного монтажа- фю •юляжа

Цех окончательной Мерки, монтажа.

самолета.

ЛИС

КХХЯ Общая массовая концентрация загрязнения У7Л Концентрация органической состаШнщей. загрязнения Кощетгфация неергатсческих ытвШятах япрязнения

Рис 1.1. Диаграмма весовой концентрации загрязнений в промывочной и рабочей жидкостях гидросистем на различных этапах их производства [116]

% .100

30 20 10

%

100 20 10

%

100. 10

¡Ш2 "31,8

детальные* ^ органические.' Вещества /Г

А1г0з 20,1

Резина

Ре304 Мд.О 25,3

И-

й)

Остальные оргатческие

Остальные неорганические.

■Мвг 19,1*5

. вещества \ Х/йац^асгайа

^Ьк-РсЛу МдО

Резина1 22

■О

Остальные органические Вещества

23

20,96

Остальные неорганические вещества

'¿¿О, П.*

А1,03

МдО 1Л

Резина 16,4

Ч

24",3 13

Ю,

Остальные органические веш,естба

Остальные иеорсани ческие Вещества

Состав загрязнений

г)

Рис 1.2. Диаграммы объемного содержания загрязнения на различных этапах производства гидросистем [116]: а - монтаж и сборка крыла; б - предварительный монтаж фюзеляжа; в - окончательная сборка и монтаж самолета; г - окончательная отработка самолета

продукты обработки, сварки и т.п.). Среди массы производственных загрязнений преобладают мелкие частицы размером от 0,5 до 10...50 мкм (около 91...96 %). Их состав, разме