Обеспечение динамических качеств управляемых клапанных агрегатов пневмогидравлических систем

Новикова, Вера Николаевна

Обеспечение динамических качеств управляемых клапанных агрегатов пневмогидравлических систем тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Новикова, Вера Николаевна АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Орел МЕСТО ЗАЩИТЫ

2004 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.06 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Обеспечение динамических качеств управляемых клапанных агрегатов пневмогидравлических систем»

Автореферат диссертации на тему "Обеспечение динамических качеств управляемых клапанных агрегатов пневмогидравлических систем"

На правах рукописи

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ КАЧЕСТВ УПРАВЛЯЕМЫХ КЛАПАННЫХ АГРЕГАТОВ ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ

01.02,06 -Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Орел - 2004

Работа выполнена в Самарской государственной академии путей сообщения и Орловском государственном техническом университете

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Мулюкин Олег. Петрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Колодежнов Владимир Николаевич,

доктор технических наук, профессор Луканенко Владимир Григорьевич

Ведущая организация - Курский государственный технический университет

Защита состоится « 27» февраля 2004 года в 14-00 на заседании диссертационного совета Д 212.182.03 при Орловском государственном техническом университете по адресу: 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, 29

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Орловского государственного технического университета по адресу: г. Орел, Наугорское шоссе, 29

Автореферат разослан «23 » января 2004 г.

Ученый секретарь совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В транспортном машиностроении четко отслеживается устойчивая тенденция роста тактико-технических характеристик управляемых клапанных агрегатов (УКА), обусловленная повышением скоростей, грузоподъемности и энерговооруженности приводов машин, за счет увеличения давления и расходных характеристик в трактах пневмогидравлических систем (ПГС), расширения границ температурного диапазона рабочих сред ввиду применения нетрадиционных, прежде всего, криогенных жидкостей. Это приводит к повышению динамических нагрузок на контактирующие элементы УКА с возрастанием вероятности возникновения их прочностных и усталостных поломок. В условиях минимизации массы и запасов прочности, повышения надежности и экологической чистоты резко усложняется выполнение требований к функционированию УКА в составе ПГС транспортных средств, для реализации которых необходимо обеспечить решение целого ряда задач теоретического уровня и в первую очередь разработку практического инструментария проектирования в виде программного обеспечения.

Управляемые клапанные агрегаты включают подвижный(инерционный), упругий и диссипативный элементы, устройство генерации управляющего воздействия, а также клапанно-седельную пару. При создании УКА требуется обеспечить прочность элементов, быстроту срабатывания клапана, необходимую герметичность, а также возможность безударного взаимодействия контактных поверхностей. Вопросам исследования и практического применения УКА посвящено достаточно большое количество работ, в которых намечены исходные ориентиры целенаправленного регулирования скоростью движения клапана на рабочем ходе. В линейной постановке при существенном числе допущений изложены основы расчета и проектирования регуляторов скорости движения исполнительных органов клапанных устройств с газовыми и жидкостными демпферами торможения. Практически во всех работах авторами указывается на многоплановость такого рода исследований ввиду компромиссного характера выбора параметров переходного процесса УКА по величине быстродействия и минимальности конечной скорости посадки клапана на седло, и отмечается необходимость углубления исследований в данном направлении, включая создание УКА с заданными динамическими свойствами. Поэтому исследования, направленные на совершенствование механизмов управления динамической системой «привод - тормозное устройство - клапан» агрегатов ПГС железнодорожного транспорта, являются актуальными, отвечают современным тенденциям развития транспортных средств и имеют важное значение для повышения технико-экономической эффективности процессов эксплуатации пневмогидравлических систем подвижного состава железных дорог, обеспечивающих, в целом, функциональную надежность и экологическую безопасность железнодорожного транспорта.

Работа выполнялась в рамках отраслевой программы «Энергосбережение на железнодорожном транспорте в 1998-2000, 2005 годах» (Постановление правительства РФ от 04.07.98 № 262 пр-у; Указание МГТС РФ от 09.10.98 № Б-1166у) и «Программы обновления и развития средств автоматики и телемеханики» на 2000 - 2004 г.г. (Постановление Коллегии МПС РФ от 24-25 декабря 1999 г. № 23).

Цель работы заключается в повышении эффективности УКА пневмогидрав-лических систем на основе применения упругодемпферных механизмов привода с регулируемыми параметрами жесткости и демпфирования, а также разработки математических моделей и программного обеспечения для расчета рациональных параметров и выполнения параметров синтеза клапанных агрегатов.

Для достижения сформулированных целей были поставлены следующие задачи:

1. Оценить предельные возможности и области применения используемых пневматических тормозных устройств и механизмов регулирования кинематических параметров динамической системы «привод - тормозное устройство - клапан».

2. Разработать математические модели и исследование эффективности работы тормозных устройств пневматических приводов переменного демпфирования для УКА с регулируемыми усилием привода и величиной тормозного пути.

3. Провести экспериментальные исследования кинематических и динамических характеристик пружинно-пневматических приводов УКА с использованием специально разработанного клапанного имитатора.

4. Создать на базе разработанной математической модели специального программного обеспечения для расчета и проектирования приводных механизмов УКА пневмогидравлических систем транспортных средств.

5. Разработать и провести теоретико-экспериментальное обоснование комплекса рекомендаций и принципов конструирования УКА повыщенного ресурса на базе высокоэффективных тормозных и регулирующих устройств, работоспособных в широком амплитудно-частотном спектре внешних воздействующих факторов.

Объектом исследования в работе служат приводные механизмы управляемых клапанных агрегатов пневмогидравлических систем транспортных средств.

Предметом исследования являются динамические процессы в системе «привод-клапанная пара» управляемых клапанных агрегатов.

Научная новизна:

1. Разработана математическая модель расчета пружинно- пневматического механизма привода, отличающаяся возможностью решения связанной задачи расчета динамических характеристик управляемого клапанного агрегата с учетом переменных теплофизических свойств и геометрии демпферной камеры.

2. Получены закономерности работы динамической системы «привод - тормозное устройство - клапан» управляемого клапанного агрегата в условиях варьирования жесткостных, инерционных и демпфирующих свойств.

3.Разработаны конструктивные схемы и практический инструментарий в виде программного обеспечения для расчета и проектирования приводных механизмов управляемых клапанных агрегатов.

Методы исследования. В основу диссертационной работы положены методы анализа динамически нагруженных силовых и уплотнительных соединений управляемых клапанных агрегатов с сосредоточенными параметрами, а также элементы синтеза конструкций подвижной системы «привод - тормозное устройство - клапан» при варьировании амплитудно-частотного спектра внешних воздействующих факторов. Расчет силовых и кинематических параметров клапанных агрегатов был проведен на основании решения систем дифференциальных уравнений второго порядка многошаговым экстраполяционным методом Адамса, запуск которого осуществлялся методом Эйлера. Численное решение задачи расчета динамических характеристик системы «привод - тормозное устройство - клапан» проводилось с помощью разработанного при участии автора программного обеспечения.

Для подтверждения адекватности разработанных теоретических положений и полученных с помощью разработанного программного обеспечения результатов был проведен комплекс модельных физических экспериментов на специальном клапанном имитаторе. Также выполнен сравнительный анализ с результатами исследований, полученных другими авторами.

Достоверность результатов. Обеспечивается корректностью постановки задач, обоснованностью используемых теоретических зависимостей и принятых допущений, применением известных математических методов; подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными как лично автором, так и другими исследователями.

Практическая ценность заключается в том, что разработанные математические модели и практические рекомендации по конструкторско-технологическим аспектам создания управляемых клапанных агрегатов с регулируемым усилием привода повышают эффективность (надежность и экономичность) пневмогидросистем железнодорожного транспорта и качество изготовления, сборки, монтажа входящих в системы гидропневмотопливных клапанных агрегатов и срок службы в составе железнодорожного транспорта и, в конечном счете, сокращают финансовые и временные затраты на их разработку и доводку выходных параметров.

Реализация работы. Ряд результатов работы внедрен на учебном полигоне СамГАПС и используется в учебном процессе СамГАПС.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на: международной конференции (интернет-версия) молодых ученых, студентов, старшеклассников и творческой молодежи, г.Самара, 2002 г.; межвузовской научно -практической конференции «Вклад ученых вузов в научно-технический прогресс на железнодорожном транспорте» г.Самара, СамГАПС, 2003 г.; XXX межвузовской научной конференции студентов и аспирантов, г.Самара, СамГАПС, 2003 г.; научно-практической конференции «Безопасность движения поездов», г.Москва, МИИТ, 2003 г.; международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения», г.Самара, СГАУ, 2003 г.; международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения» - «Технология 2003», г.Орел, Орел ГТУ, 2003 г.; международном

симпозиуме «Машины и механизмы ударного, периодического и вибрационного действия», г.Орел, Орел ГТУ, 2003 г., VI международной научо-технической конференции «Вибрационные машины и технологии» - «Технология - 2003», г. Курск, КГТУ, 2003; межкафедральных семинарах СамГАПС (18.09.03 г., 16.12.03 г.) и научно-техническом семинаре кафедры «Прикладная механика» Орел ГТУ (19.11.03г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 научных труда общим объемом 3,66 п.л. включая 6 статей в научных сборниках, 9 тезисов докладов, 1 свидетельство РФ на полезную модель, 7 свидетельств ВНТИЦ РФ на интеллектуальный продукт и два научно-технических отчета по НИР.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка используемой литературы из 112 наименований и содержит 170 страниц основного текста, 75 рисунков и 15 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обусловлена актуальность темы исследования, дается краткая характеристика диссертационной работы, рассмотрены использованные методы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту:

Первая глава посвящена анализу современного состояния вопросов конструирования УКА с регулированием усилия привода под заданные требования к быстродействию, службы, клапанного уплотнения. Охарактеризованы энергетические аспекты расчета УКА с регулируемыми параметрами пневмотормозных устройств и дана оценка демпфирующей способности стандартных силовых гидроцилиндров.

Анализ динамического поведения системы «привод - тормозное устройство -клапан» представляет собой комплексную задачу, решение которой находится на стыке нескольких направлений научной деятельности: динамика пневмопривода, газодинамика тормозного механизма, герметология и динамика клапанных уплотнений. Фундаментальный вклад в развитие этих областей науки и техзники внесли: В.А.Ананьевский, Н.М.Беляев, А.М.Певзнер, В.Л.Бидерман. И.А.Биргер, В.С.Ильинский, Г.С.Батуев, И.Р.Кричкер, М.В.Раздолин, О.И.Ратманский, А.Е.Ситников, Д.Н.Сурнов, Ю.И.Тарасьев, Н.В.Филин, В.В.Хильчевский и др.

Следует отметить, что подавляющее число работ, описывающих процессы, происхоядщие в стыке уплотняющих поверхностей, базируются на теории контактирования широховатых поверхностей (работы И.Г. Горячевой, М.Н.Добычина, Н.Б.Демкина, А.Ю.Жилюкаса, Н.А.Кильчевского и П.М.Огара).

Вопросам виброустойчивости арматуры посвящены работы В.Ф.Бугаенко, Ф.М.Диментберга, К.С.Колесникова, И.ФЛинского, К.В.Фролова и др. В этих работах представлены результаты исследования влияния продольных и поперечных колебаний на герметичность КУ УКА, а также оценка эффективности применяемых в промышленности методов обеспечения устойчивого функционирования упругопод-вешенных исполнительных органов.

Заметным событием в области исследования и управления качеством динамических процессов клапанных агрегатов стал цикл научных работ проф. Д.Е.Чегодаева и О.П.Мулюкина, которые указывают на сложность и многоплановость проведения таких исследований в виду компромиссного характера выбора параметров переходного процесса УКА по величине быстродействия и минимальности скорости посадки клапана на седло под действием привода, усилие которого должно обеспечивает требуемую герметизацию элементов КУ.

Выполненный обзор опубликованных работ показал, что несмотря на огромный объем проделанной работы, по-прежнему имеются незаполненные ниши в решении вопросов, связанных с динамикой всей системы «привод - тормозное — устройство». Превалирует независимый друг от друга анализ двух динамических систем: «привод - тормозное устройство» и «привод — клапан» без решения связанной задачи. До настоящего времени полностью не разработан и экспериментально не подтвержден комплекс взаимосвязанных и научно-обоснованных практических рекомендаций и принципов проектирования высоконадежных, с повышенным ресурсом и степенью герметизации УКА, их приводных и регулирующих механизмов в условиях интенсификации и комбинирования ВВФ. Это обуславливает рост потребного усилия привода на герметизацию КУ и расхода рабочей среды на перекладку подвижной системы «привод - клапан» с соответствующим снижением срока службы входящих в нее конструируемых силовых и уплотнительных соединений.

Детальный анализ отечественной научно-технической литературы в этих направлениях также показал:

1. Не завершена систематизация представлений о стадиях преобразования энергии в физических процессах, протекающих в динамической системе «привод -клапан» с наложением внешних воздействующих факторов.

2. Разработаны оригинальные конструкции средств регулирования и торможения приводных механизмов различной физической природы, однако выбор и доводка их параметров базируются, в основном, на результатах экспериментов.

3. Накоплен определенный объем знаний в исследовании газовых и жидкостных демпферов УКА, однако не всегда результаты адекватны и включают показатели априорной оценки характеристик динамической системы «привод - тормозное устройство - клапан».

4. В известных математических моделях и методах расчета электромагнитных приводных механизмов клапанных агрегатов практически отсутствуют рекомендации по выбору их электромеханических параметров во взаимосвязи с выходными параметрами и геометрией КУ.

5. Не оценены предельные возможности (эффективность) и области применения существующих способов и средств регулирования усилия привода на рабочем ходе с тормозными и управляющими механизмами переменной структуры.

На основе приведенного анализа состояния проблемы в диссертации сформулированы цель и задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке моделей и методов управления динамическими параметрами подвижной системы «привод - тормозное устройство - клапан» для снижения динамических нагрузок в контактирующих элементах привода и клапанного уплотнения. В связи с отсутствием в железнодорожной отрасли классификационной схем таких систем:

- охарактеризованы классификационные признаки и особенности видов приводных устройств УКА. Установлено, что доля пневматических приводных устройств клапанных механизмов в общем количестве применяемых в авиационном транспорте превышает 40%, а доля пневматических и жидкостных приводных устройств в современном железнодорожном составе приближается к 80% (примерно такое же соотношение в автомобильном транспорте);

- систематизированы наиболее важные с практической точки зрения законы движения управляемых механизмов на разных фазах движения исполнительного органа, комбинируя которые можно получить законы любой сложности;

- проанализированы конструктивно-расчетные схемы и пределы параметров торможения пневмоприводов с встроенными и внешними тормозными устройствами, используемые в отечественной промышленности. С целью упорядочения теоретических и экспериментальных исследований, установления общих характеристик различного вида динамических моделей транспортных машин и механизмов предложены дополнительные классификации: идеализированных динамических моделей; нелинейных систем и механизмов переменной структуры. Представление динамических моделей как сочетание моделей различного типа обеспечивает конкретную разработку компьютерных программ и автоматизацию процесса расчета.

На основании вышеизложенного принята обобщенная конструктивно-расчетная схема УКА с пружинно-пневматическим тормозным устройством (рис. 1). Для описания динамики УКА в рамках упруговязкой модели роль жесткости отводится возвратной пружине, а роль упругодемпферной связи - газовому объему демпферной камеры и дросселю пневмотормоза. Описание процесса в демпферной камере основывалось на решении уравнений баланса расходов газа через дроссель:

уравнения состояния газа и взаимосвязи термодинамических параметров (плотности и вязкости от давлений и температуры)

где Р(х)' Р' ^ - давление, плотность и объем газа в демпферной камере, t - время, х -

перемещение, п - показатель политропы воздушной среды (принят п=1,4), потери учитывались при помощи экспериментально найденного значения коэффициента

рассчитываемого для двух случаев истечения газа: доктритического (при 0,528<ра/рд<1) и сверхкритического (при 0 <ра/рд<0,528); знак «+» в формуле (1) соответствует случаю притока газа в полость, а «-» - случаю его истечения из полости.

Уравнения (1) и (2) определяют силы, действующие на подвижную часть клапанного-тагрегата со стороны камеры демпфера пневмотормоза УКА на этапе торможения. Суммирование этих сил, а также инерционных, внешней нагрузки, силы упругости, трения и газодинамических, действующих на тарелку клапана при обтекании ее потоком рабочей среды ,позволяет получить уравнение движения или баланса сил, действующих на подвижную систему УКА:

dt2

+ cx + p(x)-An+ppAM+Fmp=p0A> (3)

где М- масса подвижного элемента, с - жесткость пружины, - давление в дем-

ферной камере, - рабочее давление в магистрали, - управляющее давление,

площади, соответственно, демпферной камеры, пере-

Fmp - сила тр™, Ап,Ат,А

крываемой части магистрали и рабочей камеры.

В системе уравнений (1) - (3) неизвестными являются х, р^ху р, Ц» остальные параметры задаются или определяются в каждый момент времени. Для численной реализации данной модели была разработана программа в среде Delphi 5 с пользовательским интерфейсом, который позволяет выполнять расчет перемещений, скоростей, ускорений и времени срабатывания при различных значениях масс подвижной части клапана, площадей поперечных сечений дросселя, давлений в магистралях и геометрических размеров элементов привода клапана.

Для удобства анализа и обобщения аналитических результатов вводились следующие безразмерные параметры: i*=f/F„; с" = р /с » х*=х/Н; х — х/х0 у

М" =M'X2/Fn-Н-р,; c*=c-H/F„-p.; P*=P/F„-p. И комплекс

К* = • Та y^j/^o ' где - скорость подвижной массы УКА при х=0.

С учетом ряда допущений и преобразований (процессы адиабатические, замена переменных, введение принятых безразмерных параметров) уравнения (1) — (3) для до и сверхкритического истечения примут вид:

На рисунке 2 представлены результаты расчета параметров клапанного агрегата при различных значениях давления управляющего воздействия, жесткости пружины и диаметров жиклера. Путем выполнения ряда расчетов проводится параметрический синтез управляемого клапанного агрегата для получения требуемых динамических качеств привода.

В случае применения жидкого водорода при расчете переход-

ного процесса можно принять плотность водорода рд=СОП51 и, введя безразмерную плотность и, использовав безразмерные параметры, принятые для

модели газового тормозного устройства, найти выражение уравнения неразрывности течения среды в виде

Наполнение элементной базы исходных данных производилось для УКА с постоянной (рисунок 3) и переменной (рисунок 4) площадью дросселя тормозного устройства.

• п*

X ,рд,Р

9 8 7 6 5 4 3 2 1 О

с*=5— — /

* /

с*=1_/ Л

и 1—/ • < V/

///

с'=0,5

0,4 0,8

х-,рд,Х'

5 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5

✓

•

р'=0 II Ы

7 •. / V А \

1 • 1 V \

♦ * ♦ \

\ \ \

• \

0,4

0,8

Рисунок 3 - Сопоставление зависимостей скорости лс (_), давления

--), управляющей силы Р (—) при М =0,5; I =10 ; К =203 (о) и скорости X ,

давления Рд(д), ускорения —) при М*=0,5; С*=1,0; ^ =10"3; К*=203; Р*=0...5 (б) от перемещения клапана х\

Р=5

3 ч

'Л

/•-103

> а

Л\

О 0,2 0.4 0,6 0.8 х * о 0,2 0.4 0,6 0.8 дг" а б

р=3,5 -Л"),

0 0,2 0.4 0,6 0.8 х

/'•103 10

1,5

2 1

\2 \ \

0 0,2 0.4 0,6 0.8 х*

0 0,2 0.4 0,6 0.8 х д

О 0,2 0.4 0,6 0.8 х*

/'•10

2 1

М =4

1 > к 3^

0,5 К

/Мо2

0 0,2 0.4 0,6 0.8 х*

0 0,2 0.4 0,6 0.8 х и

с =3

0 0,2 0.4 0,60.8 х*

Рисунок 4 - Зависимость площади дросселя тормозного устройства, работающего на газообразном (а,б, в, г) и жидком (Д, Е, Ж, 3, И, К) водороде, от безразмерных параметров: а, б, в, д, е, ж, з - рд=соп$1; г, и, к -X =сопб1.

Полученные результаты позволяют не только рассчитывать динамические характеристики УКА с регулируемым усилием привода, но и оценивать прочность их силовых и уплотнительных соединений. Это дает возможность проектировать облегченные агрегаты с заданными функциональными свойствами.

На базе свидетельства РФ №29009 на полезную модель разработана конструкция УКА клапанно-седельного типа повышенной сейсмостойкости и определены условия безрезонансного режима движения его исполнительного органа.

В третьей главе представлено описание и функциональные возможности разработанного автором клапанного имитатора (рисунок 6), в котором предусмотрена возможность варьирования его исходных параметров (таблица 1).

Был принят классический план эксперимента, при котором все независимые, кроме одной, фиксировались, а варьируемая переменная подвергалась рандомизации с использованием таблицы случайных чисел.

В ходе экспериментов получен ряд зависимостей (охарактеризованы в выводах работы) для кинематических характеристик привода при варьировании: подвижной системой «привод - клапан»; жесткостью упругих элементов и площадью проходного сечения дросселя пневмотормоза.

9 8 7 6 5

Рисунок 6 - Конструктивно-расчетная схема клапанного имитатора

Сопротивление аналитических и экспериментальных данных (рисунок 7) свидетельствует об удовлетворительном для нужд практики совпадении (22%) результатов. Получены АЧХ и количественные соотношения между инерционной и упругой нагрузкой клапанного имитатора при внешнем ударном нагружении: ускорение - 50, 100 м/с2; частоте нагружения 50...2500 Гц; времени прохождения указанного диапазона частот - 80с. Установлена целесообразность введения в клапанные агрегаты дополнительных пружин разгрузки седел от контакта с седлом, что исключает их ударное взаимодействие при транспортном нагружении и благоприятно сказывается на стабильности герметизирующей способности клапанного уплотнения в эксплуатации.

Таблица 1 - Исходные параметры клапанного имитатора

м и/и Наименование параметра Обозначение, размерность Численное значение

1 2 3 4

1 Диаметр наименьшей ступени дифферинци-ального поршня Д,, мм 50

2 Диаметр максимальной ступени дифферин-циального поршня Дд, мм 75

3 Длина демпферной камеры Ь, мм 40

4 Максимальный объем демпферной камеры Ул, и* 0,00025

5 Диаметр проходного сечения патрубка подвода рабочей среды. (11, мм 32

6 Диаметр проходного сечения патрубка отбора рабочей среды ММ 32

7 Диаметр проходного сечения дросселя штуцера подвода управляющего сечения ёупр, мм 0,5...1,5

8 Диаметр проходного сечения дросселя дренажного штуцера демпферной камеры с!;-, ММ 0,2...2,2

9 Жесткость рабочей пружины С, Н/м 2700...7000

10 Усилие предварительной затяжки пружины в исходном положении (при посадке клапана на седло) Р н 1 про»11 1,6...3,2

11 Максимальный рабочий ход клапана Н, мм 23

12 Исходная масса подвижной системы «клапан-привод» Мо, кг 0,5

13 Масса дополнительных грузиков Мг, кг 0,25...1,5

14 Давление рабочей среды Р„„ МПа 0,1

15 Давление управляющей среды Р„, МПа 0,5

Рисунок 7 - Зависимость параметров х и рд на рабочем ходе х при диаметре дросселя: 100,6 мм; 2-1,5

мм (-аналитическое решение;

----- экспериментально полученное).

Х,м/с

В четвертой главе представлены практические рекомендации по конструк-торско-технологическим аспектам создания УКА с регулируемой внешней нагрузкой и примеры их реализации, которые укрупненно можно представить в следующем виде:

- систематизирована и дополнена оригинальными разработками автора классификация методов и средств пассивного регулирования внешней нагрузки в УКА;

- разработаны конструкции и практические рекомендации по выбору основных геометрических размеров для 14 оригинальных УКА с регулирующими органами различной физической природы на базе: дросселирования управляющего давления среды или ее перепуска в полости дополнительных силовых органов на рабочем ходе привода; разгрузки уплотняющих поверхностей КУ от силового воздействия давления управляющей среды;

- оценена эффективность способов активного регулирования внешней нагрузкой в УКА и предложена оригинальная конструкция УКА с регулируемой мощностью электромагнитного привода;

- систематизированы и дополнены конструкторско-технологические приемы обеспечения требуемого уровня технологичности УКА как сложных изделий и предложена методика оценки технологического обеспечения их надежности на стадиях изготовления, сборки, испытания и доводки выходных параметров.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований решена научно-техническая задача, заключающаяся в обеспечении динамических качеств УК пневмогидравлических систем разработки методов расчета и принципов проектирования разгруженных от динамических нагрузок управляемых клапанных агрегатов на основе регулирования динамических и кинематических параметров их приводных механизмов на рабочем ходе исполнительного органа. Выполнение запланированных этапов работы позволило получить следующие научные результаты:

1. Разработаны методы снижения динамической нагруженности клапанных агрегатов с регулируемыми выходными характеристиками приводных механизмов. Показано, что основные эксплуатационные показатели управляемых клапанных агрегатов зависят в основном от скорости соударения подвижных звеньев динамической системы «привод - клапан», которая наряду с известными критериями прочности и герметичности определяет долговечность и безотказность клапанных уплотнений с ударным контактированием. Выявлено заметное увеличение ресурса УКА при снижении скорости соударения звеньев динамической системы «привод - клапан».

2. Предложены и обоснованы рациональные законы движения подвижных элементом приводных механизмов из условия безударного контактирования клапан-но-седельных пар с учетом демпфирующей способности силовых цилиндров.

3. Разработаны математические модели пружинно-пневматических тормозных устройств приводов управляемых клапанных агрегатов с регулируемой скоростью движения звеньев, позволивших установить: предельное снижение скорости соударения звеньев клапанно-седельных пар при варьировании как отдельными составляющими динамических сил, так и набором составляющих; взаимосвязь времени срабатывания управляемого клапанного агрегата от характера варьирования кинематическими параметрами связки «привод - тормозное устройство» на рабочем ходе привода в зависимости от вида и параметров состояния рабочей среды.

4. Проведены экспериментальные исследования динамических характеристик УКА с использованием разработанного клапанного имитатора. Сравнительный анализ теоретических результатов и данных модельных экспериментов по скорости и времени движения поршней показал их удовлетворительное согласование, что позволяет сделать вывод о корректности разработанных математических моделей.

5. На основании анализа полученных расчетных и экспериментальных данных были сделаны следующие выводы по работоспособности приводов УКА:

- неоптимальное сочетание параметров динамической системы «привод-клапан» обуславливает либо удар в конце хода подвижной массы, либо ее полное торможение при перемещении, меньшем заданного рабочего хода;

- варьирование плотности газовой среды в пневмотормозе незначительно влияет на качество процесса (в смысле обеспечения торможения клапана в конце хода привода), изменяя лишь начальное значение площади проходного сечения дросселя демпферной камеры пневмотормоза;

- при применении в качестве рабочего тела пневмотормоза жидкого водорода и условии можно выбрать такое сочетание параметров, которое позволяет применять дроссель с постоянной площадью проходного сечения. При этом заранее допускается удар клапан о седло в конце хода привода;

- при отсутствии ограничений на быстродействие пневмопривода эффективным средством скорости посадки клапана на седло является демпфирование при помощи пневмотормоза на базе специальных дросселирующих элементов, обеспечивающих кардинальное снижение энергии соударения поршня привода с клапанно-седельной парой с 25,2 до 1,45 Дж;

- варьирование массой подвижных частей системы «привод - клапан» до 100% от ее начального значения при высокоэффективном демпфировании незначительно (до 10%) влияет на скорость пневматического поршневого привода.

Влияние массы подвижных частей системы «привод - клапан» при отсутствии или малом демпфировании существенно возрастает, обеспечивая пропорциональное изменение скорости движущейся массы;

- влияние жесткости пружинных звеньев на быстродействие и конечную скорость привод клапана качественно аналогично влиянию изменения массы.

6. Полярность воздействия и неоднородность динамических сил в управляемых клапанных устройствах с пневмодемпферными тормозными механизмами определяют компромиссный характер выбора рациональных значений массы и скорости, а также выбор приемов управления с целенаправленным изменением параметров переходного процесса на рабочем ходе подвижной системы «привод - клапан».

7. Полученные результаты исследования переходных процессов управляемых клапанных агрегатов на воздухе, газообразном и жидком водороде при постоянной и переменной площади дросселя пневмокамеры тормозного устройства позволяют не только рассчитать динамические характеристики агрегатов такого типа, но и оценивать прочность их элементов. Это дает возможность проектировать агрегаты с наперед заданными функциональными свойствами.

8. Разработан комплекс научно-обоснованных, взаимосвязанных рекомендаций и принципов проектирования динамически разгруженных подвижных систем «привод-клапан», обеспечивающих рост потребного усилия герметизации и минимизацию расхода управляющей энергии на срабатывание клапанно-седельных пар. Указанный комплекс рекомендаций и принципов лег в основу разработки конструкций 14 оригинальных клапанных агрегатов с регулирующими и тормозными устройствами различной физической природы на базе: дросселирования управляющего давления среды на рабочем ходе клапана дроссельно-золотникового типа; на базе упругопори-стого материала МР и «Меретранс», с регулирующим органом в виде двух сближающихся перфорированных дисков); перепуска управляющего давления среды на рабочем ходе привода в его составляющие поршни (в виде: блочного двухпоршневого привода дифференциального типа с клапанно-седельной парой перепуска среды; шарнирно-соединенных поршней с регулируемым или гарантированным зазором в шарнире с системой каналов перепуска среды в межпоршневую полость; поршневого привода с перепуском среды из надпоршневой полости в ресиверное устройство при помощи блока обратных клапанов, сильфонного компенсатора или золотникового механизма); разгрузки уплотняющих поверхностей КУ от силового воздействия давления управляющей среды (в виде поршневого привода с с перепуском среды из над-поршневой полости в реверсивное устройство при помощи: сильфонного клапанного распределительного устройства с фиксированным ходом; кулачково-рычажной системы инерционных дополнительных масс; на базе: дифференциального поршня или блока таких цепей, включенных в единую кинематическую цепь; равноплечего ры-чажно-шарнирного механизма, плечи которого нагружены усилием поршневого или сильфонного привода).

уровня технологичности управляемых клапанных агрегатов и предложена методика оценки технологического обеспечения их надежности на стадиях производства.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ОТРАЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:

1. Нигматуллина В.Н., Шакиров Ф.М., Гусаров В.И. Упругодиссипативное подвешивание транспортируемого объекта //Международная конференция (Интернет -версия) молодых ученых, студентов, старшеклассников и творческой молодежи «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, сентябрь 2002 г.) ут\у@ззар5 ги.

2. Фундаментальные и поисковые научно-исследовательские работы по программе СамГАПС (раздел: Разработка упругопористого материала «Меретранс» для виброзащиты подвижного состава и транспортируемых грузов): Отчет о НИР/СамГАПС; Рук. А.Н.Носов; Отв.исполн. раздела В.Н.Нигматуллина; № ГР 02304001; Инв. №0286.0062442, Самара, 2002. -597 с.

3. Нигматуллина В.Н., Носов А.Н., Вершигоров В.М. Регулирующе - пере-крывное устройство раздаточного трубопровода: Свидетельство №73200200175 от 29.10.02 ВНТИЦ об регистрации интеллектуального продукта //Идеи, гипотезы, решения. - М., ВНТИЦ, 2002.

4. Носов А.Н., Нигматуллина В.Н., Михно В.З. Воздушный фильтр с устройством контроля в эксплуатации степени загрязненности фильтроэлемента: Свидетельство №73200200173 от 29.10.02 ВНТИЦ о реггистрации интеллектуального продукта // Идеи, гипотезы, решения. - М., ВНТИЦ, 2002.

5. Нигматуллина В.Н., Путилин СВ., Носов А.Н. Датчик давления рабочей среды: Свидетельство №73200200176 от 29.10.02 ВНИТЦ о регистрации интеллектуального продукта //Идеи, гипотезы, решения - М., ВНТИЦ, 2002.

6. Нигматуллина В.Н. Многомассный поршневой привод клапанно-седельной пары: Свидетельство №73200200208 от 02.12.02 ВНТИЦ о регистрации интеллектуального продукта //Идеи, гипотезы, решения. - М., ВНТИЦ, 2002.

7. Нигматуллина В.Н. С-образное фторопласте - металлорезиновое уплотнение поршневого привода: Свидетельство №73200300040 от 28.02.03 ВНИТЦ о регистрации интеллектуального продукта // Идеи, гипотезы, решения. - М., ВНИТЦ 2003.

8. Виброизолятор транспортного средства: Свидетельство №29009 России на полезную модель / В.Н.Нигматуллина, В.П.Червинский, В.М.Вершигоров и др. - Б.И. №12,2003.

9. Нигматуллина В.Н. Исследование работоспособности силовых гидроцилиндров тормозных систем транпорта с учетом ударного взаимодействия //Тезисы

докладов XXX межвузовской научной конференции студентов и аспирантов. - Самара: СамГАПС, 2003. - С.39.

Ю.Нигматуллина В.Н. Модульная классификация динамических моделей транспортных машин и механизмов и систематизация процессов расчета //Тезисы докладов XXX межвузовской научной конференции студентов и аспирантов. - Самара: СамГАПС, 2003. - С.38.

11. Нигматуллина В.Н., Савин Л.А., Забродин О.М. Конструкция и технология сборки пакетного упругодемпфирующего элемента виброизолятора пассивного типа на широкий спектр динамических воздействий //Вклад ученых вузов в научно-технический прогресс на железнодорожном транспорте: Тезисы докладов межвузовской научно-практической конференции. - Самара: СамГАПС, 2003. - С.59-60.

12. Нигматуллина В.Н. Выбор и расчет энергоемкости тормозных устройств высокоресурсных пневмоприводов систем железнодорожного транспорта //Вклад ученых вузов в научно-технический прогресс на железнодорожном транспорте: Тезисы докладов межвузовской научно-технической конференции. -Самара: СамГАПС, 2003.-С.58-59.

13. Нигматуллина В.Н., Шакиров Ф.М., Кшуманев С В. Динамические модели транспортных машин и механизмов:. модульная классификация и систематизация процессов расчета //Проблемы и перспективы развития двигателестроения: Тезисы докладов международной научно-технической конференции. - Самара: СГАУ, 2003 -С.33-34.

14. Безводин В.А., Нигматуллина В.Н., Путилин С.В. Конструкция. кресла транспортного средства с элементами из материала МР //Проблемы и перспективы, развития двигателестроения: Тезисы докладов международной научно-технической конференции. - Самара: СГАУ, 2003 - с 38-40.

15. Тарасов Е.М., Вершигоров В.М., Нигматуллина В.Н. Основы методологии виброизоляции фрагментов аэрокосмической техники, транспортируемых железнодорожным цехом ГНП РКЦ «ЦСКБ - ПРОГРЕСС» //Безопасность движения поездов: Труды научно-практической конференции. - М.: МИИТ, 2003. - V-10 - V-!!

16. Нигматуллина В.Н., Вершигоров В.М., Савин Л.А. Эффективность тормозных устройств транспортировочных средств с автоматическим пневмоприводом. -Тяжелое машиностроение. - №12. -2003. -С.17-21

17. Нигматуллина В.Н., Изранова Г.В., Борзенков М.И. Влияние загрязнений на работоспособность уплотнительных устройств гидроцилиндров//Вестник ВГТУ. Серия «Энергетика». - Выпуск 7.3. - Воронеж: ВГТУ, 2003. - С27-32.

18. Фундаментальные и поисковые научно-исследовательские работы по программе СамГАПС (раздел : Комплексное исследование виброзащитных материалов, устройств и систем стабилизации выходных параметров агрегатов подвижного состава и систем виброизоляции транспортируемых грузов): Отчет о НИР /СамГАПС; Рук. А.Н.Носов; Отв. исполнитель раздела В.НЛигматуллина, № ГР 02403007; Инв. № 0286.0073112, Самара, 2003. - 784 с.

20 Р- 252Я

19. Носов А.Н., Нигматуллина В.Н., Путилин СВ. Исследование свойств виброзащитного упругопористого материала «МЕРЕТРАНС» в рамках модели А.М.Сойфера //Механизмы и машины ударного, периодического и вибпрозащитного действия: Материалы II международного научного симпозиума. - Орел ГТУ, 2003. -С.307-309.

20. Савин Л.А., Мулюкин О.П., Нигматуллина В.Н. Выбор тормозного устройства транспортного средства с автоматическим пневмоприводом //Известия Орел ГТУ, 2003. -С.49-53.

21. Чекмарев А.Н., Савин Л.А., Нигматуллина В.Н. Технологическая тренировка сложных изделий на стадии производства и ее технико-экономическая модель //Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения. - Технология 2003. - Материалы международной научно-технической конференции. - Орел ГТУ, 2003.-С.517-520.

22. Нигматуллина В.Н. Комбинированный упругодемпфирующий элемент виброизолятора пассивного типа //Вибрационные машины и технологии. - «Вибрация -2003». - Материалы VI международной научно-техническрй конференции. - Курск: КГТУ,2003.-С.27-31.

23. Нигматуллина В.Н. Тормозные устройства высокоресурсных пневматических приводов //Вибрационные машины и технологии. - Технология - 2003. - Материалы VI международной научно-технической конференции. - Курск: КГТУ, 2003. -С.31-33.

* - Соискатель с ноября 2003 г. носит фамилию Новикова.

Орловский государственный технический университет Лицензия № 00670 от 05.01.2000. Подписано к печати 20.01.2004г. Формат 60x84 1/16. Печать офсетная. Объем 1,0 усл. п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 1353 Отпечатано с готового оригинал-макета на полиграфической базе ОрелГТУ 302020, г. Орел, Наугорское шоссе,29.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Новикова, Вера Николаевна

СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.:.

1. ДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА «ПРИВОД- ТОРМОЗНОЕ

УСТРОЙСТВО - КЛАПАН» КАК ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1.Анализ выбора конструкций и расчета параметров приводных механизмов клапанно-седельных пар гидропневмотопливных агрегатов.

1.1.1. Энергетические аспекты расчета управляемых клапанных агрегатов с регулируемыми параметрами пневмотормозных устройств.

1.1.2. К оценке демпфирующей способности стандартных силовых гидроцилиндров.

1.2.Обзор опубликованных работ по исследованию динамики подвижной системы «привод - клапан».

1.3.Выводы. Цель и задачи исследования.

2. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ УПРАВЛЯЕМЫХ КЛАПАННЫХ АГРЕГАТОВ С РЕГУЛИРУЕМЫМ НА РАБОЧЕМ ХОДЕ УСИЛИЕМ ПРИВОДА.

2.1. Классификация и особенности видов приводных устройств для управляемых клапанных агрегатов.

2.2. Выбор и расчет средств торможения пневматического поршневого привода управляемого клапанного агрегата.

2.3. Динамическая модель управляемого клапанного агрегата с поршневым пневмотормозом.

2.3.1.Общие сведения о модульной классификации динамических моделей транспортных машин и агрегатов.

2.3.2 Моделирование переходных процессов управляемого клапанного агрегата с пневматическим тормозным устройством.

2.3.2.1. Упрощенная математическая модель и анализ динамического взаимодействия подвижных звеньев управляемого клапанного агрегата с пневматическим тормозным устройством.

2.3.2.2.Обобщенная конструктивно-расчетная схема управляемого клапанного агрегата с пневматическим тормозным устройством.

2.3.2.3.Обеспечение заданного качества переходного процесса в пневматическом тормозном устройстве управляемого клапанного агрегата.

2.4. Выводы.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ ПОРШНЕВОГО ПНЕВМАТИЧЕСКОГО ПРИВОДА УПРАВЛЯЕМОГО КЛАПАННОГО АГРЕГАТА.

3.1. Физическое моделирование пневматического тормозного механизма клапанного приводного агрегата.,.

3.2. Исследование АЧХ клапанного имитатора при внешнем ударном нагружении.

3.3 Выводы.

Введение диссертация по механике, на тему "Обеспечение динамических качеств управляемых клапанных агрегатов пневмогидравлических систем"

В клапанном агрегатостроении как за рубежом, так и в России четко отслеживается тенденция роста тактико - технических характеристик управляемых клапанных ГГТТА, обусловленных ростом скоростей, грузоподъемности и энерговооруженности ЭУ транспортных средств виду:

- увеличения давления и расхода рабочих сред в трактах ПГС;

- расширения границ температурного диапазона рабочих сред из-за применения нетрадиционных для транспорта высококалорийных криогенных топлив типа СПГ и жидкого водорода;

- использования «всепогодных» синтетических жидкостей и масел с повышенными агрессивными и токсическими свойствами.

Это, в свою очередь, приводит к повышению динамической нагруженности клапанных агрегатов с возрастанием вероятности возникновения нештатных ситуаций из-за интенсификации неблагоприятных факторов (ударное взаимодействие элементов системы «привод - клапанно-седельная пара», гидроудары, вибрации, пульсации давления и др.), приводящих к прочностным и усталостным поломкам элементов и узлов.

В условиях лимитирования массы и минимизации запасов прочности элементов клапанных агрегатов в соответствии с действующими нормативно-правовыми актами и ТУ предприятий и служб МПС России, ужесточением требований к их экологической чистоте резко усложняется выполнение требований к надежности работы приводных клапанных механизмов в составе ПГС транспортных средств.

В связи с этим резко возрастает актуальность и практическая значимость современных направлений повышения надежности и технического уровня клапанных агрегатов систем железнодорожного транспорта:

- разработка и внедрение в производство САПР с комплексным использованием современных средств вычислительной техники в виде интеллектуальных систем на основе комплексной автоматизации; предельных проблемно соориентиро-ванных систем на базе персональных ЭВМ с созданием ППП, предназначенных для автоматизации проектирования технических систем на базе постоянно пополняющего базиса конструктивных решений клапанных ГПТА различной физической природы;

- использование и разработка для управляемых клапанных агрегатов элементов и узлов, полученных при помощи критических технологий их изготовления (искусственный нетканный проволочный материал типа «МЕРЕТРАНС» и др.) с высокой термостойкостью в широком температурном диапазоне и пр.;

- проведение исследований динамической нагруженности подвижной системы «привод - КУ» с разработкой научно-обоснованнных рекомендаций ее проектирования и управления качеством динамических процессов при заданных показателях надежности и технического уровня.

Вышеизложенное предопределяет актуальность, научную новизну и практическую ценность диссертационной работы, нацеленной на исследование и разработку высокоэффективных (по быстродействию и минимизации ударных нагрузок) управляемых клапанных агрегатов с целенаправленным регулированием на рабочем ходе усилия привода.

Работа выполнена в НИЛ «Динамическая прочность и виброзашита транспортных систем» Самарской государственной академии путей сообщения в рамках отраслевой «Программы энергосбережения на железнодорожном транспорте в 19982000, 2005 годах» (Постановление Правительства от 04.07.98 №262 пр-у; Указание МПС РФ от 09.10.98 №Б-1166у) и «Программы обновления и развития средств автоматики и телемеханики» на 2000-2004 г.г. (Постановление Коллегии МПС РФ от 24-25 декабря 1999 г. №23).

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю, д.т.н., профессору О.П.Мулюкину за ценные указания по обобщению аналитических и экспериментальных исследований, определению областей приложения полученных результатов и д.т.н., профессору кафедры «Прикладная механика» Орел ГТУ Савину Л.А. за методическую помощь в проведении исследований, внимание к работе, доброжелательность и полезные советы, высказанные им на всех стадиях выполнения работы, включая ее оформление.

Заключение диссертации по теме "Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры"

4.3. Выводы

Сформулированные в настоящей главе практические рекомендации по конст-рукторско-технологическим аспектам создания управляемых клапанов с регулируемой внешней нагрузкой укрупненно можно представить в следующем виде:

1. Систематизирована и дополнена разработками автора, выполненных на уровне патентов на изобретения и полезные модели свидетельств на интеллектуальный продукт, классификация методов и средств пассивного регулирования внешней нагрузки в клапанных агрегатах с регулируемым на рабочем ходе усилием привода.

2. Разработаны конструкции и практические рекомендации по выбору их основных геометрических размеров для 14 оригинальных управляемых клапанных агрегатов с регулирующими органами различной физической природы на базе:

- дросселирования управляющего давления среды на рабочем ходе клапана (дроссельно-золотникового типа; применения упругопористого материала MP и «Мерет-ранс»; с регулирующим органом в виде двух сближающихся перфорированных дисков);

- перепуска управляющего давления среды на рабочем ходе привода (в виде: блочного двухпоршневого привода дифференциального типа с клапанно-седельной парой перепуска среды; шарнирно-соединительных поршней с регулируемым или гарантированным зазором в шарнире с системой каналов перепуска среды в межпоршневую полость; поршневого привода с перепуском среды из надпоршневой полости в ресиверное устройство при помощи блока обратных клапанов, сильфонного компенсатора или золотникового механизма);

- разгрузки уплотняющих поверхностей клапанных уплотнений от силового воздействия давления управляющей среды (в виде поршневого привода с перепуском среды из надпоршневой полости в реверсивное устройство при помощи: сильфонного клапанного распределительного устройства ограниченного хода; кулачко-во - рычажной системы; на базе дифференциального поршня или блока таких поршней; равноплечего рычажно-шарнирного механизма, плечи которого нагружены усилием поршневого или сильфонного привода).

3. Оценена эффективность способов обеспечения отдельных (или блока) параметров переходных процессов управляемых клапанных агрегатов требованиям циклограмм работы энергетических установок, работающих в их составе и приведено конструктивное исполнение 3 оригинальных конструкций агрегатов управления, реализующих эти способы (прямоточный криогенный пускоотсечной клапан двухступенчатого действия; пускоотсечной клапан системы топливопитания энергетической установки; клапанный агрегат управления с приводным устройством двухстороннего действия на базе рычажно-шарнирного механизма с «плавающей» опорой).

4. Оценена эффективность способов активного регулирования внешней нагрузкой в управляемых клапанных агрегатах и предложены конструктивные схемы некоторых типов агрегатов такого рода, включая оригинальную конструкцию клапанного устройства с регулируемой мощностью потребляемой электромагнитным приводом электроэнергии.

5. Систематизированы и дополнены конструкторско-технологические и эксплуатационные приемы обеспечения требуемого уровня технологичности управляемых клапанных агрегатов, отнесенных по конструкции к сложным изделиям, и предложена методика оценки технологического обеспечения их надежности на стадиях производства (изготовление, сборка, испытание и доводка выходных параметров).

129

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований решена научно-техническая задача разработки методов расчета и принципов проектирования разгруженных от динамических нагрузок управляемых клапанных пневмоагрегатов на основе регулирования динамических и кинематических параметров их приводных механизмов на рабочем ходе исполнительного органа. Выполнение следующих видов работ позволило получить искомые научные результаты:

1. Разработаны методы снижения динамической нагруженности клапанных агрегатов с регулируемыми выходными характеристиками приводных механизмов с определением эффективности и области применения тормозных механизмов приво дов различной физической природы (газовые, жидкостные, электрические).

Показано, что основные эксплуатационные показатели управляемых клапанных агрегатов - ресурс и герметичность УС силовых и герметизируемых звеньев при идентичности ВВФ зависят только от скорости соударения подвижных звеньев динамической системы «привод - клапан», которая наряду с известными критериями прочности и герметичности определяет долговечность и безотказность клапанных уплотнений с ударным контактированием. Выявлено заметное увеличение ресурса КУ всех видов при снижении скорости соударения звеньев динамической системы «привод - клапан».

2. Предложены и обоснованы способы рациональных законов движения системы «привод - клапан» и управления динамическими и кинематическими параметрами приводных механизмов из условия безударного контактирования УС кла-панно-седельных пар с учетом демпфирующей способности силовых цилиндров.

3. Разработаны модели газовых и жидкостных тормозных устройств приводов управляемых клапанных агрегатов с регулируемой скоростью движения звеньев * динамической системы «привод - клапан», корректирующих уровень динамических сил ( инерционной, упругой, внешней) и величины тормозного пути и позволивших установить:

- предельное снижение скорости соударения звеньев клапанно-седельных пар при варьировании как отдельными составляющими динамических сил, так и набором составляющих;

- взаимосвязь времени срабатывания управляемого клапанного агрегата от характера варьирования кинематическими параметрами связки «привод-тормозное устройство» на рабочем ходе привода в зависимости от вида и параметров состояния рабочей среды.

На этой основе сформулированы целевые функции проектирования управляемых клапанных ГПТА с учетом'их энергомассовой характеристики.

4. С учетом фактических скоростей контактирования. УС динамической системы «привод - клапан» обоснован выбор типа и разработаны конструкции и математические модели управляемых клапанных агрегатов с пневмотормозом в виде ор0 тогонально расположенных чувствительного и силового органов и с электротормозом, изменяющим силовую характеристику при варьировании ВВФ.

5. Расчетно-экспериментальные исследования позволили подтвердить корректность сформулированных моделей и, в частности установить:

- при применении в качестве рабочего тела пневмотормоза жидкого водорода и условии х =х*, = const можно выбрать такое сочетание параметров, которое позволяет применять дроссель с постоянной площадью проходного сечения. При этом заранее допускается удар клапан о седло в конце хода привода;

6. Полярность воздействия и неоднородность динамических сил в управляемых клапанных устройствах с пневмодемпферными тормозными механизмами на быстродействие поршневого привода, с одной стороны, и на энергию соударения клапана с седлом, с другой, определяют компромиссный характер выбора рациональных быстродействия, массы и скорости ИО из заданного ТЗ диапазона значений, а также выбор приемов управления с целенаправленным изменением параметров переходного процесса на рабочем ходе подвижной системы «привод - клапан».

7. Полученные результаты исследования пеерходных процессов управляемых клапанных агрегатов на воздухе, газообразном и жидком водороде при постоянной и переменной площади дросселя пневмокамеры тормозного устройства позволяют не только рассчитать динамические характеристики агрегатов такого типа, но и оценивать прочность их элементов. Это дает возможность проектировать агрегаты с наперед заданными функциональными свойствами.

8. Разработан комплексе научно-обоснованных, взаимосвязанных рекомендаций и принципов проектирования динамически разгруженных подвижных систем «привод-клапан» в условиях интенсификации ВВФ, обуславливающих рост потребного усилия герметизации КУ и расхода управляющей энергии на срабатывание клапанно-седельных пар.

Указанный комплекс рекомендаций и принципов лег в основу разработки конструкций 14 оригинальных клапанных агрегатов с регулирующими и тормозными устройствами различной физической природы на базе:

- дросселирования управляющего давления среды на рабочем ходе клапана дрос-сельно-золотникового типа; на базе упругопористого материала MP и «Меретранс», с регулирующим органом в виде двух сближающихся перфорированных дисков);

- перепуска управляющего давления среды на рабочем ходе привода в его составляющие поршни (в виде: блочного двухпоршневого привода дифференциального типа с клапанно-седельной парой перепуска среды; шарнирно-соединенных поршней с регулируемым или гарантированным зазором в шарнире с системой каналов перепуска среды в межпоршневую полость; поршневого привода с перепуском среды из надпоршневой полости в ресиверное устройство при помощи блока обратных клапанов, сильфонного компенсатора или золотникового механизма);

- разгрузки уплотняющих поверхностей КУ от силового воздействия давления управляющей среды (в виде поршневого привода с с перепуском среды из надпоршневой полости в реверсивное устройство при помощи: сильфонного клапанного распределительного устройства с фиксированным ходом; кулачково-рычажной системы инерционных дополнительных масс; на базе: дифференциального поршня или блока таких цепей, включенных в единую кинематическую цепь; равноплечего рычажно-шарнирного механизма, плечи которого нагружены усилием поршневого или сильфонного привода).

9.Разработана программа расчета с пользовательским интерфейсом, которая служит практическим средством проектирования приводов УКА путем проведения параметрического синтеза рабочих и геометрических параметров. Систематизирован и дополнен базис конструкторско-технологических приемов обеспечения требуемого уровня технологичности управляемых клапанных агрегатов и предложена методика оценки технологического обеспечения их надежности на стадиях производства.

133

Список источников диссертации и автореферата по механике, кандидата технических наук, Новикова, Вера Николаевна, Орел

1. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. - М.: Наука, 1976. - 280 с.

2. Аксиально-поршневой регулируемый гидропривод /В.Н.Прокофьев, Ю.А.Данилов, Л.А.Кондаков и др. М.: Машиностроение, 1969.-496 с.

3. Александров Е.В., Соколинский В.Б. Прикладная теория и расчеты ударных систем. М.: Наука, 1969. - 200 с.

4. Ахматов А.С. Молекулярная физика граничного трения. М.: Физматгиз, 1963.-472с.

5. Белоусов А.И., Балякин В.Б., Новиков Д.К. Теория и проектирование гидродинамических демпферов опор роторов /Под. ред. А.И.Белоусова. Самара: Издательство Самарского научного центра РАН, 2002. - 335с.

6. Бансявичюс Р.Ю., Рагульскис К.М. Вибродвигатели. Вильнюс: Москлас, 1981.-232с.

7. Баскаев Л.К., Шарапов С.И. Анализ процесса торможения пневматического привода промышленных роботов //Гидравлические системы металлорежущих станков: Межвуз. сб. науч. тр. Вып. 7 /Под ред. О.Н.Трифонова. - М.: Станкин, 1984.-С. 164-169.

8. Белоусов А.И., Сидоренко А.А., Токарев И.П. Виброизолирующие свойства гидростатических опор. Вестн. машиностроения. - 1979. - №4. - С.4 — 5.

9. Беляев Н.М., Велик Н.П., Уваров Е.И. Реактивные системы управления космических летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1979. - 232 с.

10. Березовец Г.Т., Дмитриев В.Н., Наджаров Э.М. О допустимых превращениях при расчете пневматических регуляторов //Приборостроение. 1957. - №4. -С.33-36.

11. П.Бугаенко В.Ф. Пневмоавтоматика ракетно-космических систем. М.: Машиностроение, 1979.- 168 с.

12. Буренин В.В., Гаевик Д.Т. Исследование демпфирующих свойств силовых гидроцилиндров современных приводов. Вестник машиностроения. - М., 1978.-№2.-С.29-33.

13. Вибрации в технике: Справочник в 6т. /Под ред. Д.М.Диментберга, К.С.Колесникова. М.: Машиностроение, 1980. - Т.З:'Колебания машин, конструкций и их элементов. - 544с.

14. Влияние защищаемой системы на работу предохранительного клапана /В.В.Невенский, В.И.Розенблюм, Ю.И.Тарасов, А.М.Тарасенко. В кн.: Гидравлические и гидродинамические исследования арматуры. - JL: ЛКБА, 1981. - С.42-50.

15. Виброизолятор транспортного средства: Свидетельство №29009 России на полезную модель /В.Н.Нигматуллина, В.П.Червинский, В.М.Вершигоров, В.И.Гусаров, С.В.Путилин. Б.И. № 12, 2003.

16. Герц Е.В., Крейнин Г.В. Динамика пневматических приводов машин -автоматов. М.: Машиностроение, 1964. -272с.

17. Гликман Б.Ф. Автоматическое регулирование ЖРД. М.: Машиностроение, 1989.-296с.

18. Гуревич Д.Ф. Основы расчета трубопроводной арматуры. М.: Машгиз, 1962.-346 с.

19. Гусаров В.И. Совершенствование виброзащитных механизмов переменного демпфирования систем железнодорожного транспорта: Автореф. дис. канд. техн. наук: 01.02.06. Орел: Орел ГТУ,2003. -179с.

20. ГОСТ 22388 77. Сильфоны однослойные разделительные и компена-торные из нержавеющей стали.

21. ГОСТ 24553 81. Однослойные металлические сильфоны, армированные кольцами.

22. ГОСТ 21744 83. Многослойные металлические сильфоны.

23. ГОСТ 23502 79. Обеспечение надежности на этапе производства. Технологический прогон изделий бытового назначения. - М.: Изд-во стандартов, 1983 - 16 с.

24. Гринберг И.С., Кармугин Б.В., Кричкер И.Р. Предохранительные клапаны непрямого действия для газообразных сред (Обзор, инф'орм) /ЦИНИхимнефтемаш. Серия ХМ-10. Промышленная трубопроводная арматура). М., 1975. - 47с.

25. Динамическая устойчивость работы предохранительных клапанов /Т.В.Кондратьева, В.П.исаков, Ф.П.Петрова. Химическое и нефтяное машинот-сроение. - 1978. -№ 12. - С. 14-17.

26. Долинская М.Г., Мартынов Г.К. технологический прогон промышленных изделий как метод повышения надежности //Надежность и контроль качества. -1984.-№8.-С. 17-20.

27. Долотов A.M., Комаров М.С. Исследование отскоков в конических клапан парах с упругим седлом //Доклады и научные сообщения: Вестн. Львовск. политех. ин-та, № 436. -Львов: Вища школа, 1979. С.22-24.

28. Долотов A.M., Комаров М.С. Воздействие вибраций на коническую клапанную пару с упругим седлом //Технология машиностроения и динамическая прочность машин: Вестн. Львовск. политех, ин-та, № 436. Львов: Вища школа, 1979. -С. 22-24.

29. Долотов A.M. Исследование динамических явлений, возникающих в конических парах с упругим седлом: Дисс. канд. техн. наук: 01.02.06. -Львов: ЛПИ, 1981.-187 с.

30. Долотов A.M., Огар П.М., Чегодаев Д.Е. Основы теории и проектирования уплотнений пневмогидроарматуры летательных аппаратов: Учебное пособие.

31. М.:Изд-во МАИ, 2000 -296с.

32. Елисеев С.В. Кукаренко В.П. Инерционные связи в колебательной системе //Динамика управляемых механических систем: Сб. науч. трудов. Иркутск: ИРПИ.- 1982.-С.47-52.

33. Елисеев с.В., Нерубенко Г.П. Динамические гасители колебаний. Ново-♦ сибирск: Наука, 1970. - 320с.

34. Ильинский B.C. Защита аппаратов от динамических воздействий. М.: Энергия, 1970.-320 с.

35. Инженерные методы исследования ударных процессов /Г.С.Батуев, Ю.В.Голубков, А.К.Ефремов и др. М.: Машиностроение, 1977. - 240 с.

36. Иориш Ю.И. Виброметрия. М.: Машгиз, 1963. -771 с.

37. Кармугин Б.В., Стратиневский Г.Г., Мендельсон Д.А. Клапанные уплотнения пневмогидроагрегатов. М: Машиностроение, 1983. -152с.

38. Ковтунов А.В. Обеспечение виброизоляции грузов ответственного назначения при железнодорожных перевозках: Дисс. канд. техн. наук : 01.02.06. -Орел: Орел ГТУ, 2003.- 191с.

39. Кожевников С.Н., Антонюк Е.Я. Систематизация динамических моделей механических агрегатов // Теория машин и механизмов: Респ. междувед.науч. -техн. сб. Вып. 35. -Харьков: Высшая школа. Изд-во при Харьк. ун-те, 1983. С. 3-6.

40. Копаков Ф.И., Генкин С.И. Условия организации технологичности конструкций изделий// Стандарты и качество. 1985. - № 3. - С.21-27.

41. Кондратьева Т.В. Предохранительные клапаны. JI.: Машиностроение (Ленигр. отделение ), 1976. -232 с.

42. Кондаков Л.А. Уплотнения гидравлических систем. М.: Машиностроение, 1972.-240 с.

43. Курендаш З.Р. О силовом взаимодействии элементов шарнирного плоского устройства //Электронное машиностроение: Межвуз. сб. Львов, 1978. - Вып. II.- С. 18-21.

44. Курендаш З.Р., Шамбель Б.С. определенеие напряжений в зоне контакта клапана и седла //Технология машиностроения и динамическая прочность машин: Вестн. Львовск. политех, ин-та, № 146. Львов: Вища школа, 1980. - С. 71-72.

45. Ли Чжун Ин, Гуан Ин Цзи, Д.Е.Чегодаев. Обеспечение долговечности (износостойкости) соударяемых и сопрягаемых уплотнительных поверхностей клапанных агрегатов систем ДЛА и ЛА. Проблемы машиностроения и автоматизации.- № 2. 2000. - С.63-68.

46. Линский И.Ф. О герметичности пружинных пневмогидроклапанов при продольной и поперечной вибрации //Пневматика и гидравлика. Приводы и системы управления. М.: Машиностроение, 1979. - Вып. 7. - С.221-228.

47. Механизмы разгрузки агрегатов автоматики при хранении и транспортировке /О.П.Мулюкин, Д.Е.Чегодаев, Ф.М.Шакиров и др. Химическое и нефтяное машиностроение. - 1985. -№11 -СЛ8-19.

48. Мулюкин О.П. Методы расчета и принципы проектирования высокоресурсных клапанных агрегатов: Дисс. . д-ра техн. наук: 05.07.05. Самара: СГАУ, 1995-396с.

49. Мулюкин О.П. Проблемы герметизации и ресурса динамически нагруженных уплотнительных соединений (обзор) // ПТС: Технология авиационного при-боро- и агрегатостроения. Саратов: НИТИ, 1997, № 4. -С.29-34.

50. Мулюкин О.П., Чегодаев Д.Е., Луканенко В.Г. Конструкция и проектирование агрегатов защиты и предохранения пневмогидросистем и емкостей авиационной техники и наземного оборудования: Учебн. пособие. Самара: СГАУ, 1997. — 49с.

51. Налимов В.В. Применение математической статистики при анализе вещества. М.: Физматгиз, 1960. - 242с.

52. Нигматуллина В.Н. С-образное фторопласто-металлорезиновое уплотнение поршневого привода: Свидетельство № 73200200174 от 29.10.02 ВНТИЦ о регистрации интеллектуального продукта //Идеи, гипотезы, решения. М., ВНТИЦ, 2002.

53. Нигматуллина В.Н. Исследование работоспособности силовых гидроцилиндров тормозных систем транспорта с учетом ударного взаимодействия //Тезисы докладов XXX межвузовской научной конференции студентов и аспирантов. — Самара: СамГАПС, 2003. -С.39.

54. Нигматуллина В.Н. Модульная классификация динамических моделей транспортных машин и механизмов и систематизация процессов расчета //Тезисыдокладов XXX межвузовской научной конференции студентов и аспирантов. Самара: СамГАПС, 2003. - С.38.

55. Нигматуллина В.Н. С-образное фторопласто-металлорезиновое уплотнение поршневого привода: Свидетельство № 73200300040 от 28.02.03 ВНТИЦ о регистрации интеллектуального продукта //Идеи, гипотезы, решения. М., ВНТИЦ, 2003.

56. Нигматуллина В.Н., Изранова Г.В., Борзенков М.И. Влияние загрязнений на работоспособность уплотнительных устройств гидроцилиндров //Вестник9

57. ВГТУ. Сер.: Энергетика. Выпуск 7.3. - Воронеж: ВГТУ, 2003. - С.27-32.

58. Нигматуллина В.Н. Многомассный поршневой привод клапанно-седельной пары: Свидетельство №73200200208 от 02.12.02 ВНТИЦ о регистрации4 интеллектуального продукта // Идеи, гипотезы, решения. -М., ВНТИЦ, 2002.

59. Нигматуллина В.Н., Носов А.Н., Изранова Г.В. Способ снижения шумовых эффектов («гудения») пружин клапанных механизмов: Свидетельство №73200200208 от 02.12.02 ВНТИЦ о регистрации интеллектуального продукта //Идеи, гипотезы, решения. М., ВНТИЦ, 2002.

60. Нигматуллина В.Н., Носов А.Н., Вершигоров В.М. Регулирующе-перекрывное устройство раздаточного трубопровода: Свидетельство № 73200200175 от 29.10.02 ВНТИЦ об регистрации интеллектуального продукта // Идеи, гипотезы, решения. М., ВНТИЦ, 2002.

61. Нигматуллина В.Н., Путилин С.В., Носов А.Н. Датчик давления рабочей среды: Свидетельство №73200200176 от 29.10.02 ВНТИЦ об регистрации интеллектуального продукта //Идеи, гипотезы, решения. М., ВНИТЦ, 2002.

62. Нигматуллина В.Н., Вершигоров В.М., Савин JI.A. Эффективность тормозных устройств транспортировочных средств с автоматическим пневмоприводом. -Тяжелое машиностроение. № 12.-2003.-С. 17-21. :

63. Нигматуллина В.Н. Комбинированный упругодемпфирующий элемент виброизолятора пассивного типа //Вибрационные машины и технологии. «Вибра-ция-2003». - Материалы VI международной научно-технической конференции. -Курск: КГТУ, 2003. - С.27-31.

64. Нигматуллина В.Н. Тормозные устройства высокоресурсных пневматических приводов //Вибрационные машины и технологии. Вибрация - 2003. - Материалы VI международной научно-технической конференции. - Курск: КГТУ, 2003. - С.31-33.

65. Никитин Ю.Ф., Плюгин Б.С., Рыков Н.А. Электромагнитные клапаны. -М.: МВТУ, 1976.-90с.

66. Никитин Ю.Ф., Терехов Й.Л., Лунина И.Н. Расчет динамики электромагнитного клапана с пневмоусилением // Компрессорные и вакуумные машины и пневмоагрегаты: Тр. МВТУ, № 269, 1978. С.38-45.

67. Никольский Л.Н. Фрикционные амортизаторы удара. М.: Машиностроение, 1964. - 171с.

68. Огар П.М. Исследование влияйия контактных давлений в деталях уплотнительных соединений на их герметичность: Автореф. дис. .канд. техн. наук. — Львов: ЛПИ, 1983.- 160с.

69. Определение времени открытия электропневматических клапанов /В.Д.Лубенец, Н.Т.Романенко, Ю.Ф.Никитин и др. //Компрессорные и вакуумные машины и пневмоагрегаты: Тр. МВТУ, № 146, 1971. -С.56-58.

70. Определение коэффициента расхода в полноподъемных предохранительных клапанах / Н.Н.Коленко, А.К.Дедков, О.П.Мулюкин и др. Химическое и нефтяное машиностроение. - № 5. - 1984. - С.22-23.

71. Певзнер Я.М., Горелик A.M. Пневматические и гидропневматические подвески. М.: Машгиз, 1963.-147с.

72. Пневмогидравлические системы. Расчет и проектирование: Учебн. пособие для технических вузов/Под ред. Н.М. Беляева. М.: Высшая школа, 1988. - 271с.

73. Погорелов В.И. Газодинамические расчеты • пневматических приводов. — М.: Машиностроение, 1971.-237с.

74. Пржиалковский A.JL, Шучинский С.Х. Электромагнитные клапаны. -Л.Машиностроение, 1967 247 с.

75. Прокофьев В.Н. Способ учета влияния демпфирующих свойств насосов и гидромоторов на гидродинамические свойства гидропривода //Гидропривод и гидропневмоавтоматика: респ. межвед. науч.-техн. сб. -М., 1968. Вып. 3. - С.133-142.

76. Ружичка Дж.Е. Резонансные характеристики направленных виброзащитных систем с демпфированием вязким и сухим трением Конструирование и технология машиностроения. 1976.-С.153-158.

77. Снижение виброакустических нагрузок в гидромеханических системах /Под ред. В.П. Шорина, Е.В. Шахматова. Самара: СГАУ, 1998. - 270 с.

78. Савин Л.А., Мулюкин О.П., Нигматуллина В.Н. Выбор тормозного устройства транспортного средства с автоматическим пневмоприводом II Известия Орел 1 ГУ. Сер.: Машиностроение. Приборостроение. № 1-2. - Орел: Орел ГТУ, 2003. - С.49-53.

79. Уплотнения и уплотнительная техника: Справочник / Л.А.Кондаков, А.И.Голубев, В.Б.Овандер и др.; Под общ. ред. А.И.Голубева, Л.А.Кондакова. М.: Машиностроение, 1986.-464с.

80. Фролов К.В. Уменьшение амплитуды колебаний резонансных систем путем управляемого изменения параметров. Машиноведение. - 1965.-№ 3.-С.38-42.

81. Чегодаев Д.Е., Белоусов А.И. Гидростатические опоры как гасители колебаний //Проектирование и доводка авиационных газотурбинных двигателей: Сб. на-учн. тр. Куйбышев: КуАИ, 1974. - Вып. 67 - С. 197-205.

82. Чегодаев Д.Е. Оптимальное соотношение упругодемпферных элементовопор роторов. Известия вузов. Авиационная техника, 1985. - № 3. - С.74-78.

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

84. Чегодаев Д.Е., Мулюкин О.П., Колтыгин Е.В. Конструирование рабочих органов машин и оборудования из упругопористого материала MP: Учеб. справ, пособие в 2-х частях. 4.1. -Самара: НПЦ «Авиатор», 1994. - 156с. 4.2. - Самара: НПЦ «Авиатор», 1994- 100с.

85. Чегодаев Д.Е., Мулюкин О.П. Элементы клапанных устройств авиационных агрегатов и их надежность: Учеб. пособие. М.: Изд-во МАИ, 1994. — 208с.

86. Чегодаев Д.Е., Шатилов Ю.В. Управляемая виброизоляция (конструктивные варианты и эффективность).-Самара: СГАУ, 1995. 143 с.

87. Чегодаев Д.Е., Пономарев Ю.К. Демпфирование. Самара: СГАУ, 1997. — 334 с.

88. Чегодаев Д.Е., Фалалеев С.В. Торцевые бесконтактные уплотнения двигателей летательных аппаратов: Основы теории и проектирования: Учеб. пособие. — М.: Изд-во МАИ, 1998. 276с.

89. Чекмарев А.Н., Барвинок В.А., Шалавин В.В. Статистические методы управления качеством. М.: Машиностроение. 1999. - 320с.

90. Шевяков А.А. Автоматика авиационных и ракетных силовых установок. М.: Машиностроение, 1970. — 660с.

91. Шеен X. Теория инженерного эксперимента. М.: Мир, 1972. — 484с.

92. Шорин В.П. Устранение колебаний в авиационных трубопроводах. -М.Машиностроение, 1980.-256с.

93. Шпаков О.Н. Исследование червячного электропривода с учетом работы предохранительных устройств применительно к трубопроводной арматуре: Авто-реф. дисс. . .канд. техн. наук: 05.02.03. Харьков, 1977. - 23с.

94. Эдельман А.И.Топливные клапаны жидкостных ракетных двигателей. — М.: Машиностроение, 1970. 244с.

95. Яшин А.В., Лебедев М.Д., Дубицкий Л.Г. О показателе эффективности систем контроля //Надежность и контроль качества. 1980. - № 1. - С.78-81.

96. Соискатель с ноября 2003 г. носит фамилию Новикова