Обеспечение прочности и надежности функционирования криогенных пневмоклапанов сверхтяжелого ракетоносителя тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ
|
Сазанов, Вячеслав Петрович
АВТОР
|
||||
|
кандидата технических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Самара
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2010
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.02.06
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
На правах рукописи
004Ы
САЗАНОВ ВЯЧЕСЛАВ ПЕТРОВИЧ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЧНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ КРИОГЕННЫХ ПНЕВМОКЛАПАНОВ СВЕРХТЯЖЕЛОГО РАКЕТОНОСИТЕЛЯ
Специальность:
01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
1 5 ДЕН 2010
Самара-2010
004617424
Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)» на кафедре прочности летательных аппаратов при поддержке Федерального агентства по образованию (проект РНП 2.1.1.3397 и проект РНП 2.1.1.889).
Научный руководитель: доктор технических наук,
профессор Петренко Станислав Александрович
Официальные оппоненты: доктор технических наук,
профессор Самсонов Владимир Николаевич
доктор технических наук,
профессор Ткаченко Сергей Иванович
Ведущая организация: ОАО «КУЗНЕЦОВ» (г. Самара)
Защита состоится 28.12.2010 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.215.02 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)» по адресу: 443086, Самара, Московское шоссе, 34.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного аэрокосмического университета.
Автореферат разослан «25» ноября_2010г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.215.02 доктор технических наук, доцент
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Агрегаты гидравлических систем ракетоносителей желого и сверхтяжелого класса с двигательными установками на криоген-IX видах топлива наряду с крупными габаритами, большими подвижными юсами обладают повышенной силовой характеристикой пневмоприводов, язанной с криогенным упрочнением материалов уплотнительных уст-йств затворов и жесткими требованиями по герметичности. Вполне зако-1мерно, что следствием этого является высокий уровень динамического на-ужения при их срабатывании. Именно данный динамический процесс, как -казывает практика, является одним из определяющих факторов с точки ения сохранения параметров работоспособности, обеспечения требуемого сурса и соответственно надежности функционирования агрегата.
Несомненным является и то обстоятельство, что решение задачи мате-1Тического моделирования динамического процесса нагружения при сраба-[вании топливных пневмоклапанов является наиболее ценным на ранних апах проектирования, так как это позволяет в последующем сократить сро-; и затраты на проведение отработки и выдачи заключения для штатной сплуатации в составе ракетоносителя. Получение точных аналитических шений динамического нагружения от срабатывания - это крайне сложная в подавляющем числе случаев неразрешимая задача в силу физической не-[нейности уравнений состояния процесса и большого числа параметров стемы, влияющих на него. Предпочтительным способом решения данной цачи при проектировании является использование метода конечных эле-:нтов динамики механизмов и приводов, который реализован в специализи-ванных расчетных комплексах с использованием современной вычисли-льной техники. Однако их использование требует специальных теоретиче-их исследований, направленных на обоснование согласованного выбора раметров пневматической, гидравлической и механической систем агрега-, обеспечивающих допускаемый уровень нагружения элементов конструк-[И.
Изложенные обстоятельства и определяют актуальность темы диссер-ционной работы, заключающейся в разработке новых методов выбора па-метров при проектировании для создания высоконадежных топливных [евмоклапанов ракетоносителя сверхтяжелого класса.
Цель работы. Исследование динамических процессов нагружения, воздающих при срабатывании криогенного топливного пневмоклапана, и раз-ботка методов выбора параметров из условия обеспечения допускаемого ювня нагружения.
Задачи исследования: провести анализ проблем обеспечения технических характеристик при юектировании криогенных топливных пневмоклапанов ракетоносителей; провести исследование динамического нагружения при срабатывании [евмоклапанов методами математического моделирования;
з
3) определить порядок разработки и построения математических и конечно-элементных моделей в расчетах динамического нагружения при срабатывании пневмоклапанов;
4) разработать критерии и условия, обеспечивающие допускаемый уровень нагружения при срабатывании пневмоклапанов;
5) провести сравнительный анализ результатов расчетов при проектировании и испытаниях пневмоклапанов окислительной системы центрального блока ракетоносителя "Энергия".
Объект исследования. Объектом исследования является механическая система (конструкция) топливного пневмоклапана ракетоносителя, нагруженная силами от воздействия на нее пневматической и гидравлической систем.
Предмет исследования. Предметом исследования является динамический переходный процесс нагружения конструкции при срабатывании топливного пневмоклапана.
Методы исследования. Методической базой теоретических исследований динамического процесса нагружения при срабатывании пневмоклапанов является использование расчетных моделей теории механического удара и колебаний и моделирования методом конечных элементов.
Научная новизна: теоретически обоснованы и предложены новые методы выбора параметров проектирования криогенных топливных пневмоклапанов ракетоносителей, которые обеспечивают допускаемый уровень динамического нагружения при срабатывании.
Практическая ценность заключается в разработке методов проектирования топливных пневмоклапанов, позволяющих значительно улучшить показатели ресурса, прочности конструкции и надежности функционирования агрегатов в целом, что позволило применить их при создании агрегатов окислительной системы центрального блока ракетоносителя «Энергия».
Достоверность основных научных результатов обеспечивается обоснованностью исходных представлений о физической природе процессов, строгостью математического аппарата, принятых допущений и упрощений, сравнением данных расчетов по предложенным моделям с экспериментальными значениями, полученными при проведении наземных испытаний агрегатов топливной окислительной системы центрального блока ракетоносителя «Энергия».
Апробация работы проводилась на следующих научных конференциях и семинарах:
1. Седьмой Всероссийской научной конференции с международным участием «Математическое моделирование и краевые задачи». Самара, СамГТУ, 2010 г.;
Заседаниях научно-технического совета ЗАО ВКБ РКК «Энергия», Самара, 2003- 2010 г.г.;
Заседаниях кафедры прочности летательных аппаратов государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)», 2003- 2010 г.г..
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, глав, списка использованных источников из 79 наименований и 3 приложе-т. Общий объем диссертации 184 страницы, 57 рисунков и 15 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Данная работа посвящена исследованию динамических процессов на->ужения и обеспечения прочности конструкции, надежности функциониро-шия при срабатывании криогенных топливных пневмоклапанов сверхтяжело ракетоносителя. При проведении исследования использованы проектная конструкторская документация, расчеты при проектировании, отчеты по зограммам автономной отработки и обобщен практический опыт работы шструкторских подразделений на Волжском Филиале НПО «Энергия» лени С.П. Королева (в настоящее время ЗАО ВКБ РКК «Энергия») по соз-1нию топливных пневмоклапанов для центрального блока ракетно-кмической системы «Энергия». Под руководством Главного конструктора ензина Б.Г., а затем Петренко С.А. коллектив конструкторского бюро размотал конструкторскую документацию, обеспечил производство, наземную гработку, транспортировку, сборку на испытательном полигоне центрально> (Ц) и стартово-стыковочного (Я) блоков ракетоносителя.
Автор принимал непосредственное участие в разработке конструкций, эоведении испытаний около 100 наименований агрегатов автоматики пнев-эгидравлических систем, различных устройств силовых связей, защитных ¡тройств и ряда специальных механизмов для блоков Ц и я ракетоносителя Энергия». В практику проектирования были внедрены новые методики и эограммные комплексы по расчетам на прочность, нагружения и расчетов шамических процессов срабатывания агрегатов, механизмов и устройств 1кетно-космической техники.
В исследуемую группу пневмоклапанов окислительной системы цен->ального блока ракетоносителя «Энергия» в данной диссертационной рабо-! входят: пневмоклапан отсечной, пневмоклапан циркуляции, пневмоклапан кольцовки циркуляции, пневмоклапан слива, пневмоклапан заправки и ;рмостатирования, пневмоклапан отсечки магистрали циркуляции. При ом общая масса агрегата составляет от 18 до 93 кг, масса подвижной части от 2 до 28 кг. Диаметр условного проходного сечения корпуса составляет от 080 до 0,300 м.
Во введении обоснована актуальность темы и выбранного направления исследований, дана краткая характеристика диссертационной работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
Первая глава содержит обзор научно-технической литературы, посвященной проблемам проектирования пневмоклапанов ракетоносителей по следующим направлениям:
- общие вопросы проектирования агрегатов пневмогидравлических систем (ПГС) ракетоносителей;
- теоретические основы и методики расчета основных характеристик и параметров клапанов;
- конструктивное исполнение узлов и агрегатов в целом;
- автономная (наземная) отработка;
- технология производства;
- эксплуатация и ремонт;
- надежность.
Актуальные вопросы проектирования агрегатов ракетно-космических и авиационных систем рассматриваются в работах Бугаенко В.Ф., Ратманско-го О.И., Эдельмана Л.И., Дмитриева В.Н., Кондратьевой Т.Ф., Киселева П.И., Гуревича Д.Ф., Квасова В.М., Чегодаева Д,Е., Мулюкина О.П., Долото-ва A.M., Огара П.М. и ряда других авторов.
Проектированию криогенной арматуры посвящены работы Романен-ко Н.Т., Филина Н.В., Куликова Ю.Ф., Макушкина А.Н. и других авторов.
Отмечено, что процесс динамического нагружения при срабатывании пневмоклапанов является весьма специфическим, и малоизученным. В научно-технической литературе приводятся лишь отдельные сведения, имеющие отношение к исследованию частных вопросов, например, обеспечению плавности хода пневмопривода и снижению скорости его движения при срабатывании.
Автором установлено, что наиболее оптимальным вариантом решения задачи динамики срабатывания пневмоклапана является разбиение его на два этапа исходя из циклограммы этого процесса (рис.1).
Этап I представляет собой время тг перемещения поршня от момента подачи управляющего газа до момента начала контактирования подвижной части с корпусом клапана. Время тг складывается из времени задержки т, и времени срабатывания хс. Этап II - это режим динамического нагружения до затухания процесса (время тк) из-за воздействия диссипативных сил на механическую систему.
Теоретическому расчёту динамики срабатывания клапана на этапе I и его практическому применению посвящено большинство работ, связанных с проектированием агрегатов пневмогидравлических систем ракетоносителей. Этап II является весьма сложным и специфическим вопросом и в открытой научно-технической литературе не рассматривается.
т3 - время задержки; тс - время срабатывания; тг - суммарное время срабатывания; г, - время динамического нагружения.
Рисунок 1 - Циклограмма срабатывания пневмоклапана
Поскольку проблема динамического нагружения при срабатывании не шяется изолированной от других в общем плане обеспечения надежности акционирования, то в данной главе рассматриваются и вопросы, связан->ю с проектированием криогенных топливных пневмоклапанов ракетоноси-лей и факторов, влияющих на особенности моделирования исследуемых юцессов:
условия эксплуатации;
критерии эффективности разработок;
применяемые конструкционные материалы;
применяемые варианты клапанных уплотнений;
расчеты на прочность при разработке конструкции агрегатов;
проблема динамического нагружения при срабатываниях;
программа обеспечения надежности.
Данные факторы определяют специфику моделирования динамическо-| нагружения при срабатывании и методические основы разработки крите-гев и условий выбора параметров при проектировании топливных пневмок-шанов.
На основании рассмотренных литературных источников сделан вывод, о конструкция пневмоклапанов, подобная агрегатам окислительной систе-й центрального блока (бл.Ц) ракетоносителя «Энергия», выполненная по жнципиальной схеме с концентрической тарелью, является наиболее опти-шьной по своему исполнению с точки зрения обеспечения высокой надеж->сти и минимальной массы.
Вместе с тем такие конструкции имеют мощные пневмоприводные тройства управления для обеспечения жестких требований по герметично-и рабочей полости, что приводит к высокому уровню динамического на->ужения при срабатывании. Вследствие этого данная проблема требует сво-
его решения на этапе проектирования агрегатов и является предметом рассмотрения в диссертационной работе.
Во второй главе проведено исследование динамического нагружения при срабатывании методами математического моделирования теории механического удара и колебаний. Также рассмотрены особенности использования метода конечных элементов динамики механизмов и приводов при решении подобных практических задач. Исследуемая цепочка элементов конструкции пневмопривод-тарель-седло корпуса с действующими на них силами является сложной системой и для проведения расчетов требуется приведение ее к эквивалентной с точки зрения массовых, жесткостных и диссипа-тивных характеристик. Методы приведения к эквивалентной системе являются одинаковыми при использовании любого способа расчета. Критерием правильности приведения является равенство собственных частот учитываемых степеней свободы системы.
Применительно к теории механического удара и колебаний математическая модель для расчета динамического нагружения при срабатывании в общем виде представлена на рис. 2.
Рисунок 2 - Расчетная модель динамического нагружения при срабатывании
На рис. 2 т1,т2 - массы соударяющихся тел; с,,с2 - коэффициенты жесткости буфера; у0- скорость тела перед ударом; х - текущая координата; к - коэффициент пропорциональности силы неупругого сопротивления; N(1) - равнодействующая от активных сил на подвижную часть.
Для анализа влияния составляющих параметров модели на процесс нагружения при соударении рассмотрены частные случаи одномассовых моделей, которые имеют решение дифференциальных уравнений в замкнутой форме:
1) модель с безынерционным элементом и постоянно действующей силой;
2) упругопластическая модель с параллельным соединением упругого элемента «сухого» трения;
3) модель с безынерционным упругим и вязким элементом.
Отмечено, что для системы с демпфером турбулентного истечения жидкости или газа, когда сила сопротивления пропорциональна квадрату скорости движения, решения в замкнутой форме в литературе не приводится. Приближенное решение такого уравнения для случая низкого уровня демпфирования приводится в работах Пановко Я.Г..
Рассмотренные примеры на простых расчетных моделях теории механического удара и колебаний строго и определенно устанавливают зависимости между параметрами механической системы, начальными условиями,
8
ствующими силами, что дает разработчику направление поиска в выборе .гимапьных решений при проектировании в случае использования расчетах комплексов, реализующих метод конечных элементов динамики меха-13мов и приводов.
Важными особенностями расчетов динамического нагружения при сра-пывании пневмоклапанов являются:
сложность конструкции и ее приведение к эквивалентной дискретной модели;
сложные зависимости по времени сил от давления газа и рабочей жидкости; необходимость получения начальных кинематических условий; нелинейные упругие характеристики элементов конструкции; нелинейный характер действия диссипативных сил; возможные изменения в расчетной модели, связанные с потерей контакта сопрягаемых частей.
Все эти факторы, которые непременно должны быть учтены при моде-фовании процесса, делают затруднительным использование в расчетах 5ычных методов теории механического удара и колебаний.
Поэтому в практических расчетах при проектировании агрегатов пред-)чтение отдается специализированным расчетным комплексам, реализую-их метод конечных элементов динамики механизмов и приводов. Теорети-:ские основы использования метода конечных элементов в динамическом [ализе механизмов и приводов подробно приведены в работе Куркова C.B.. сновной особенностью указанного метода является то обстоятельство, что осматриваются динамические процессы с учетом больших перемещений гханических систем и с учетом таких факторов, как упругость звеньев, пе-:менность структуры моделируемого объекта в процессе работы, трения в тематических парах, предполагается возможность анализа в рамках одной эдели элементов, различающихся физическими принципами действия.
Общий вид уравнения движения системы:
M{ô}+|C|{Ô}+№}=^}+K}+{G}+{/}, (О
(е \м\ - глобальная матрица масс системы; |С| - глобальная матрица демп-ирования системы; - глобальная матрица жесткости системы; {Fe} - гло-шьный вектор внешних сил системы; {f0} - глобальный вектор узловых ;илий начальных деформаций элемента; {/} - глобальный вектор связанных ловых сил инерции; {g} - глобальный вектор дополнительных узловых ;илий.
В численных методах интегрирования уравнений движения обычно ис-)льзуются методы Вильсона, нецентральных разностей третьего порядка, эямоугольников со сглаживанием и некоторые другие.
Для упрощения практических вычислений процесса динамического на-)ужения методами конечных элементов дано обоснование следующих до-дцений и условий:
- перемещения подвижной части при динамическом нагружении стыка малы по сравнению с ходом привода;
- силы от давления газа на подвижную часть зависят только от времени;
- упругие характеристики элементов конструкции пневмоклапана являются линейными.
В третьей главе рассматриваются вопросы практического построения конечно-элементных моделей для расчета динамического нагружения при срабатывании пневмоклапанов применительно к расчетному комплексу «Зенит», использованного для исследований в данной работе.
Общая схема конечно-элементной модели, предназначенной для расчета динамического нагружения при срабатывании, приведена на рис. 3.
Рисунок 3 - Общая схема конечно-элементной модели для расчета динамического
нагружения
На рис. 3 элементы 1, 2 представляют собой подконструкции (суперэлементы), моделирующие соответственно неподвижную и подвижные части пневмоклапана. Элемент 3 предназначен для моделирования диссипативных сил; элемент 4 моделирует место контакта. Рассмотрены вопросы, которые представляют собой некоторые особенности при построении расчетных моделей динамического нагружения при срабатывании пневмоклапанов. Этими особенностями являются теоретические основы определения:
- начальных условий для расчета (кинематических и динамических);
- зависимостей по времени сил от давления газов в выхлопной и управляющей полостях;
- зависимости по времени силы от гидравлической среды на тарель клапана.
При разработке конечно-элементной модели и проведении расчетов динамического нагружения требуются в качестве исходных данных значения параметров механической, пневматической и гидравлической системы в момент времени с = 0, которые являются начальными условиями. Определение указанных параметров относится к задаче движения пневмопривода до момента начала контактирования подвижной и неподвижной частей пневмоклапана.
Принципиальная схема топливного пневмоклапана приведена на рис. 4. При решении задачи динамики срабатывания пневмоклапана на этапе I механическая система (пневмопривод с тарелью) рассматривается как абсо-
ю
но твердое тело. Работа пневмоклапана описывается системой из четы-^уравнений:
м
О
Л
г1) д л;
, о)
Я
К
А р?
"Ш
V I л_I.
.....Ьгт^
Трилмг11" 1 '
"2-
м
Чу, ...........
* Г
Рисунок 4 - Принципиальная схема топливного пневмоклапана: 1 - пневмопривод; 2 - тарель
Лг
М =- +- р"?" ±нх±^±Р„.
гМ
Фг' */, -Ме|
л ^ГЯ
£1
ф'->_ 0.258Х,/'-' .-)[ Рг
л ПМ'-х) Уи)
кр{р <1х х<+)+.х Л'
кр? <±с х^-хЖ'
(2) (3)
(4)
(5)
12(р"-р(->) в= ч ■
Приведенная система уравнений включает уравнение движения (2), два |авнения пневмопривода (3) и (4) и уравнения расхода рабочей жидкости рез пневмоклапан (5).
В уравнениях системы: , - коэффициент местного сопротивления клапана с плоской тарелью равен
*(0
(6)
е а, в - постоянные коэффициенты, зависящие от параметров тарели; с? - наружный диаметр тарели.
Коэффициент к, ~ паРаметР газа> применяемого в пнев-
шриводе, к - показатель адиабаты; К - газовая постоянная; Тм - температу-. газа в управляющей магистрали.
£Е. р1;>)
= 0,258 при ^-<0,528
ру
Рм^Рм^Рг^Рг^Р'^'Р^ - давление в подводящих линиях управляющего газа и жидкости в расходной магистрали; /э+\/э~'. ^л' > > ^г1 - эффективные площади проходного сечения подводящих линий управляющего газа, поршня и тарели клапана; х,х0 - текущее и начальное положения поршня; М - масса подвижных частей; - постоянная составляющая нагрузки; Я - коэффициент жесткости упругих элементов; ркр - суммарная сила трения.
Совокупность приведенных уравнений составляет математическую модель пневмоклапана при его работе на этапе I. Совместное решение уравнений выполняется численными методами (Рунге-Кутга, Адамса, Эйлера и т.д.)
Закономерности изменения действующих сил по времени при расчете динамического нагружения следующие:
- зависимость по времени силы управляющего давления на пневмопривод при расчете динамического нагружения определяется процессом наполнения газом ограниченного объема (управляющей полости);
- зависимость по времени силы от давления газа в выхлопной полости на пневмопривод определяется временем процесса истечения газа из ограниченного объема;
- зависимость силы гидравлической среды на тарель определяется законом изменения по времени давления гидроудара в топливной магистрали при закрытии или законом обтекания тела жидкостью при открытии.
Четвертая глава посвящена вопросу обеспечения допускаемого уровня нагружения при срабатывании на этапе проектирования криогенных пневмоклапанов. Введено определение допускаемой нагрузки при динамическом нагружении. Под допускаемой нагрузкой понимается максимальное по амплитуде значение динамической силы, при котором должны выполняться следующие условия:
- обеспечение нормативных запасов по прочности;
- обеспечение требуемого ресурса срабатываний;
- в уплотнениях затворов удельное давление не должно превышать допускаемых значений;
- пластические деформации допускаются только в поверхностных слоях кон-тактируемых деталей, а в остальных местах они отсутствуют.
Одним из определяющих вопросов допускаемого уровня динамического нагружения при проектировании является получение прогнозируемых начальных параметров - скорости подвижной части в конце хода и действующей на нее силы. Это связано с получением установившегося (близкого к равномерному) движению пневмопривода перед началом контактирования.
достаточной для расчетов точностью условие получения режима движения ¿вмопривода, близкого к установившемуся, записывается в виде:
, где Я = г
У '
(7)
содящая в выражение (7) величина уср представляет среднюю скорость ршня; т - масса подвижных частей; Р - сила сопротивления, приложенная поршню; 5 - его ход.
Как показал анализ срабатывания крупногабаритных пневмоклапанов с лыцими перемещаемыми массами, условие установившегося движения )жет быть получено только введением искусственного сопротивления, соз-ваемого установкой дроссельных шайб или демпферов.
Разработка критериев и условий обеспечение допускаемого уровня ди-мического нагружения выполнена в данной работе для случаев примене-[я в конструкциях топливных пневмоклапанов встроенных демпферов гид-влического и пневматического действия. Такие устройства представляют бой жестко связанный с корпусом цилиндр с поршнем, который в свою ередь жестко связан с подвижной частью, и малым отверстием в дроссель-й шайбе на выходе из демпфера. В качестве рабочего тела в демпфере пользуется рабочая жидкость на штатных режимах эксплуатации или газ при нтрольных испытаниях технологического характера. В работе приведены )рмулы для определения коэффициентов сопротивления этих устройств. 1алитические зависимости по определению критериев и условий выбора раметров получены на математических моделях при одновременном реше-[и поставленной задачи двумя методами: методами теории механического удара и колебаний;
конечно-элементного моделирования динамического нагружения для реальных конструкций исследуемой группы пневмоклапанов окислительной системы центрального блока РН «Энергия» (пневмоклапанов отсечного и циркуляции).
В работе установлено, что условием обеспечения допускаемого уровня гружения конструкции с гидравлическим демпфером является выполнение равенства, при котором коэффициент сопротивления должен быть больше ачения, определяемого параметрами системы:
В формулах (8) с - приведенная жесткость; т - масса подвижной час;; у0 - начальная скорость перед ударом; Ы0 - равнодействующая активных л на подвижную часть.
Условием обеспечения допускаемого уровня нагружения конструкции пневматическим демпфером при срабатывании является выполнение двух равенств: первое неравенство определяет характерное время нарастания зультирующей силы от давления газов на подвижную часть г >12Т, где - период низшей собственной частоты колебаний механической системы;
к> 2л
4ст
(8)
V,
[N]
второе - начальную скорость подвижной части перед ударом v0 < ,
■Jem
где [N] - допускаемая нагрузка в контакте частей пневмоклапана.
По результатам расчётов для конструкции с гидравлическим демпфером определена область допускаемых начальных параметров механической системы перед ударом, в которой обеспечивается условие допускаемого на-гружения. Эта область в графическом виде приведена на рис. 5.
На рис. 5 кривая 1 - область допускаемых параметров jV0,vo для системы без демпфера, кривая 2-е демпфером. Точка А соответствует значению коэффициента сопротивления к = °о, точка В - значению к = ктл ; v\ - максимальная скорость пневмопривода, при которой обеспечивается допускаемый уровень динамического нагружения при N0 ~ [jV] При уменьшении значения
коэффициента сопротивления гидравлического демпфера до к = 0 зависимости 1 и 2 сходятся в точке С.
с гидравлическим демпфером
В пятой главе проведен анализ и сравнение расчетных и экспериментальных значений параметров пневмоклапанов окислительной системы центрального блока ракетоносителя «Энергия». При проектировании указанных агрегатов были выполнены газодинамические расчеты по определению времени срабатывания, а также расчеты на прочность. Техническим заданием на разработку была назначена вероятность безотказной работы Рг = 0,999 при доверительной вероятности у = 0,9. Пневмоклапаны исследуемой группы прошли полный цикл наземных автономных испытаний по программам кон-структорско-доводочных испытаний (КДИ), чистовых испытаний (ЧИ), испытаний на надежность (ИН). В диссертации проведен сравнительный анализ результатов расчёта параметров при проектировании с их эксперименталь-
ми значениями, полученными при наземных испытаниях по следующим
./йствам и характеристикам:
прочности конструкции;
зремени срабатывания;
динамическому нагружению;
ресурсу и надежности функционирования.
Проверочные расчеты на прочность были выполнены на этапе разра-тки конструкторской документации и оформлены в виде научно-хнических отчетов, в которых приведены запасы прочности конструкций [евмоклапанов. В отчетах использовались стандартные методики расчета на ючность деталей машин и механизмов, строительной механики оболочек, счетные комплексы, реализующие метод конечных элементов, проблемно-иентированные комплексы программ.
Расчеты статической прочности конструкции пневмоклапанов были дтверждены испытаниями до разрушения на завершающей стадии про-амм наземной отработки в разделах специальных испытаний. Испытания юведены на нескольких образцах от партии каждого агрегата гидравличе-им методом до разрушения.
Минимальное значение разрушающего давления определяется нормами ючности на разработку ракетоносителя и агрегатов ПГС. Результаты испы-ний до разрушения приведены в табл. 1.
Таблица 1 - Результаты испытаний пневмоклапанов до разрушения
1аименование агрегата Рабочая полость Управляющая полость
Максимальное эксплуатационное давление р„ МПа Разрушающее давление р„, МПа Максимальное эксплуатационное давление рэ, МПа Разрушающее давление р„, МПа
1невмоклапан тсечной 4,41 >6,62 22,56 >50,72
1невмоклапан циркуляции 4,41 >6,62 22,56 >50,72
1невмоклапан закольцов-:и циркуляции 3,92 >5,89 22,56 >50,72
Гневмоклапан слива 3,92 >5,89 22,56 >50,72
1невмоклапан заправки ! термостатирования 4,41 >6,62 22,56 >50,72
1невмоклапан отсечки [агистрали циркуляции 0,78 >1,19 22,56 >50,72
Расчеты динамики срабатывания пневмоклапанов были проведены на апе проектирования и разработки конструкторской документации на осно-принципиальных схем этих устройств. Их главной целью является провер-выбранных параметров для обеспечения требуемого времени срабатыва-[я. Расчеты срабатывания выполнены с использованием специально разра-танных программ, в основе которых лежат численные методы интегриро-ния уравнения движения твердого тела.
Замеры времени срабатывания пневмоклапанов при проведении испытаний выполнялись для двух случаев: при наличии компонента в рабочей полости и без него («сухое срабатывание»).
Результаты расчетов и замеров времени срабатывания для исследуемой группы топливных пневмоклапанов приведены в табл. 2 и 3.
Из данных табл. 2 можно видеть, что при бескомпонентном срабатывании наблюдается достаточно большая погрешность между расчетными и экспериментальными значениями. Как показали исследования записей циклограмм, эта погрешность связана в первую очередь с большим расхождением по времени задержки срабатывания, которое в итоге и повлияло на суммарное время срабатывания. Погрешность времени собственно движения пневмопривода не превысила 30%. При срабатывании на компоненте (табл. 3) расхождение расчетного и полученного в результате испытаний времени срабатывания значительно меньше, в связи с малыми скоростями движения пневмопривода.
Таблица 2 - Время срабатывания пневмоклапанов без компонента в гидравлической системе
№ п/п Наименование агрегата Вариант срабатывания Время срабатывания по расчету, с Время срабатывания по испытаниям, с
1 Пневмоклапан отсечной закрытие 0,045 0,07- -0,11
2 Пневмоклапан циркуляции закрытие 0,032 0,09- -0,16
3 Пневмоклапан закольцовки циркуляции открытие закрытие 0,06 0,57 0,030,22- -0,05 -0,26
4 Пневмоклапан слива открытие закрытие 0,73 0,07 0,230,02- -0,31 -0,08
5 Пневмоклапан заправки и термостатирования открытие закрытие 0,09 0,98 0,060,92- -0,14 -1,22
6 Пневмоклапан отсечки магистрали циркуляции открытие закрытие 0,13 0,06 0,100,03- -0,16 -0,05
Таблица 3 - Время срабатывания пневмоклапанов с компонентом в гидравлической системе
№ п/п Наименование агрегата Вариант срабатывания Время срабатывания по расчету, с Время срабатывания по испытаниям, с
1 Пневмоклапан отсечной закрытие 0,60 0,79-И),94
2 Пневмоклапан циркуляции закрытие 0,72 0,60-Ю,86
Исходя из анализа расчетных и экспериментальных значений скорости движения пневмопривода на конечном участке, результаты расчета динамики срабатывания (этап I) при проектировании рекомендуется использовать в качестве начальных условий в расчетах динамического нагружения: 1) для систем с гидравлическим демпфером выбранные параметры должны обеспечивать увеличенное в 1,3-5-1,5 раза значение коэффициента сопротивления по сравнению с его минимальным значением {ктт);
для систем с пневматическим демпфированием выбранные параметры должны обеспечивать уменьшенное в 1,3-И,5 раза значение начальной скорости перед ударом по сравнению с максимально допустимой.
В данном разделе приведены также расчеты динамического нагруже-:я отсечного пневмоклапана и пневмоклапана циркуляции, в конструкции торых используются встроенные демпферы. Расчеты выполнены для ре-шов работы демпфера на жидком и газообразном продукте в его полости, с результаты приведены в табл. 4 и 5.
Таблица 4 - Коэффициенты сопротивления демпфера и результаты расчета
динамического нагружения
Наименование пневмоклапана
ь
шш >
кг/м
к, кг/м
По расчету
По
испытаниям
Сила в контакте
N
тах >
кН
кН
Коэффициент динамичности
тсечнои пнев-эклапан
3,5 -106
5,5 -106
(б,7н-9,б)-106
75,80
74,80
1,01
Таблица 5 - Коэффициенты сопротивления демпфера и результаты расчета
динамического нагружения
Наименование невмоклапана
кг/м
к, кг/м
По расчету
По
испытаниям
Сила в контакте
N
шах '
кН
N
ст '
кН
Коэффициент динамичности кл
гевмоклапан [ркуляции
1,1-107
4,8-107
(3,3 ч-6,8)-107
35,87
35,85
1,001
Анализ результатов динамического нагружения отсечного пневмокла-на и пневмоклапана циркуляции подтверждают правильный выбор метода счета динамики срабатывания, статической прочности, динамического на-ужения. Результаты испытаний пневмоклапанов по определению ресурса зотказной работы в ряде случаев на порядок превышают требуемый по хническому заданию ресурс.
Оценка надежности срабатывания пневмоклапанов при проведении ав-номной отработки была выполнена по специально разработанной методи-, в основе которой положен закон нормального распределения ресурса без-казной работы. Данное распределение применяется для описания отказов, [званных износом деталей.
Для оценки надежности в соответствии с отраслевой методикой расче-была использована параметрическая модель, в которой в качестве пара-тров работоспособности использованы показатели прочности, герметично-н рабочей и управляющей полостей, времени срабатывания агрегатов.
Показатели надежности для пневмоклапанов исследуемой группы при-цены в табл. 6.
Количественная оценка надежности и ее показатели как вероятность зотказной работы, удовлетворяющие требованиям технического задания, дтверждают правильный выбор методов расчета при проектировании, раз-
работке конструкторской документации и объемов программ проведения автономных испытаний.
Таблица 6 - Количественные показатели надежности для пневмоклапанов окислительной
системы блока «Ц» РН «Энергия»
Наименование агрегата Количество образцов на испытаниях Гарантированный ресурс на этапной эксплуатации* Вероятность безотказной работы Ру «Г = 0,9)
кди ЧИ ИН А Б В
Пневмоклапан отсечной 5 3 5 30 100 3 0,999610
Пневмоклапан циркуляции 5 3 4 30 100 5 0,999891
Пневмоклапан закольцов-ки циркуляции 5 6 5 30 100 3 0,999123
Пневмоклапан слива 5 3 5 30 50 5 0,999080
Пневмоклапан заправки и термостатирования 5 7 5 30 150 100 0,999941
Пневмоклапан отсечки магистрали циркуляции 4 3 5 30 50 50 0,999310
♦Этап А - сборка РН;
Этап Б - технологическая подготовка на стартовой позиции;
Этап В - штатная эксплуатация РН.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
В результате проведенного комплекса теоретических исследований и сравнения расчетных параметров проектируемых криогенных топливных пневмоклапанов с их значениями при испытаниях по программам автономной наземной отработки разработаны новые научно обоснованные методы проектирования, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в области создания высоконадежных агрегатов автоматики ПГС ракетоносителей.
В порядке подведения итогов исследования сформулированы следующие основные результаты и выводы:
1. Предложен и реализован единый подход к исследованию процесса динамического нагружения при срабатывании криогенного топливного пневмоклапана. Исходя из необходимости разбивки процесса динамики срабатывания на два этапа, позволяющего значительно упростить решение задачи нагружения, в качестве методов исследования определено совместное использование метода теории механического удара и колебаний и метода конечных элементов динамики механизмов и приводов.
2. Разработан общий порядок построения расчетных моделей теории механического удара и колебания, основанный на приведении исследуемой механической системы к эквивалентной. Обоснованы и введены основные допущения которые позволяют значительно упростить решение задачи расчета процесса динамического нагружения при срабатывании.
3. Проведен анализ особенностей использования расчетного комплекса лит», реализующего метод конечных элементов динамики механизмов и иводов в расчетах динамического нагружения. При этом установлена дос-гочность объема библиотеки конечных элементов для моделирования воз-йствия активных и диссипативных сил, граничных и других условий. Для делирования подвижной и неподвижной частей конструкции рекомендо-яо применение метода подконструкций (суперэлементов).
4. Разработаны и предложены для практического применения критерии условия допускаемого нагружения при выборе параметров проектируемого иогенного топливного пневмоклапана сверхтяжелого ракетоносителя, в ко-ром применяются встроенные демпферы комбинированного действия, .иные условия в виде аналитических выражений связывают параметры ме-нической, пневматической и гидравлической систем пневмоклапана.
5. Проведен сравнительный анализ значений расчетных параметров при оектировании с их значениями при испытаниях для группы исследуемых евмоклапанов окислительной системы блока Ц ракетоносителя «Энергия», м самым подтвержден правильный выбор следующих методик расчета при оектировании пневмоклапанов:
- газодинамического расчета;
- расчета статической прочности;
- расчета динамического нагружения при срабатывании.
6. Сформулированные в работе принципы проектирования и их исполь-вание при создании криогенных топливных пневмоклапанов исследуемой уппы окислительной системы блока Ц ракетоносителя «Энергия», позво-ли создать высоконадежные агрегаты с ресурсом, значительно превышаю-ш требуемый и на испытании небольшой партии агрегатов (не более 17 иниц) подтвердить требуемую надежность по техническому заданию на зработку.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО:
в рецензируемых журналах и изданиях, определенных Высшей аттеста-онной комиссией Министерства образования и науки Российской Федера-;и:
1. Сазанов, В.П. Расчеты динамического нагружения в задачах обеспе-ния прочности и надежности функционирования топливных пневмоклапа-в сверхтяжелого ракетоносителя. / В.П. Сазанов // Вестник СамГТУ. Тех-[ческие науки.-№2 (26)-Самара, 2010.-С. 131-139.
2. Сазанов, В.П. Диагностика и контроль деформационного состояния лопаток турбоагрегатов. Контроль. Диагностика. / А.И. Данилин, В.П. Сазанов, А.Ж. Чернявский // - №1. - М.: Машиностроение, 2003 г. - С. 23-28.
в других изданиях:
3. Сазанов, В.П. Особенности использования метода конечных элементов в расчетах на прочность при проектировании конструкций элементов автоматических устройств ракетно-космической техники - PK техника. / В.П. Сазанов // Научно-технический сборник. - Серия XII. Выпуск 1 - Самара, ВКБ РКК «Энергия», 2002 г. - С. 73-78.
4. Сазанов, В.П. Анализ прочностных характеристик при проектировании раскрытия центрального радиационного теплообменника - PK техника./ В.П. Сазанов, A.B. Пекарш // Научно-технический сборник. - Серия XII. Выпуск 1 - Самара: ВКБ РКК «Энергия», 2002 г. - С. 79-93.
5. Сазанов, В.П. Прочность при проектировании и наземной отработке пневмоагрегатов топливной арматуры тяжелого ракетоносителя. - PK техника. / В.П. Сазанов // Научно-технический сборник. - Серия XII. Выпуск 1 -Самара: ВКБ РКК «Энергия», 2003 г. - С. 69-77.
6. Сазанов, В.П.Расчет на прочность при проектировании головных обтекателей для ракеты космического назначения типа «Воздушный старт» -PK техника. / В.П. Сазанов, A.B. Пекарш // Научно-технический сборник. -Серия XII. Выпуск 1 - Самара: ВКБ РКК «Энергия», 2001 г. - С. 78-87.
7. Сазанов, В.П. Расчет на прочность пускового устройства авиационно-ракетного комплекса космического назначения - PK техника. / В.П. Сазанов, A.B. Пекарш // Научно-технический сборник. - Серия XII. Выпуск 1 - Самара: ВКБ РКК «Энергия», 2001 г. - С. 70-77.
8. Сазанов, В.П. Математическое моделирование нагружения при срабатывании пневмоклапанов ракетоносителей. / В.П. Сазанов // Математическое моделирование и краевые задачи МЗЗ. Труды седьмой Всероссийской научной конференции с международным участием. - 4.1: Математические модели механики, прочности и надежности элементов конструкций - Самара: СамГТУ, 2010. - С. 305-308.
Подписано в печать 19.11.10 г. Тираж 100 экз.
Отпечатано с готового оригинала-макета в СГАУ 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34.
ВВЕДЕНИЕ.
1 ОБЗОР НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ПНЕВМОКЛАПАНОВ РАКЕТОНОСИТЕЛЕЙ.
1.1 Обзор проблемы прочности и надежности срабатывания пневмоклапанов ракетоносителей.
1.2 Проблемы и методы реализации технических характеристик при создании криогенных пневмоклапанов ракетоносителей.
1.2.1 Условия эксплуатации и основные требования, предъявляемые к агрегатам ПГС.
1.2.2 Критерии эффективности разработки агрегатов ПГС ракетоносителей.
1.2.3 Принципиальные схемы и формы криогенных топливных пневмоклапанов.
1.2.4 Применяемые материалы.
1.2.5 Затворы криогенных топливных пневмоклапанов.
1.2.6 Условия нагружения, коэффициенты безопасности и расчеты на прочность при проектировании.
1.2.7 Динамические процессы при срабатываниях и их влияние на прочность и надежность.
1.2.8 Проблема обеспечения надежности и прочности и ее решение при создании криогенных топливных клапанов.
1.2.9 Программа обеспечения надежности агрегатов в процессе их создания, производства и эксплуатации.
1.2.10 Выводы по главе 1.
1.2.11 Постановка задач исследований.
2 ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ ПРИ
СРАБАТЫВАНИИ МЕТОДАМИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО
МОДЕЛИРОВАНИЯ.
2.1 Постановка задачи.
2.2 Основные зависимости между параметрами исследуемой механической системы при динамическом нагружении.
2.3 Метод конечных элементов динамики механизмов и приводов и особенности его применения в расчетах динамического нагружения при срабатывании на этапе проектирования пневмоклапанов.
2.4 Обоснование допущений и принятие условий для упрощения математической модели в расчетах динамического нагружения при срабатывании.
2.5 Выводы по главе 2.
3 ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ И КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНЫХ МОДЕЛЕЙ ДИНАМИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ ПРИ
СРАБАТЫВАНИИ ПНЕВМОКЛАПАНОВ.
3.1 Постановка задачи.
3.2 Теоретические основы термодинамических процессов в пневматической системе топливного пневмоклапана.
3.2.1 Особенности расчета пневмоприводов.
3.2.2 Истечение газа из неограниченного объема.
3.2.3 Истечение газа из ограниченного объема.
3.2.4 Наполнение газом постоянного объема.
3.3 Определение начальных условий при решении задач динамического нагружения пневмоклапанов.
3.4 Определение зависимости по времени силы гидравлической среды на тарель пневмоклапана.
3.5 Определение зависимостей по времени силы управляющего давления и давления в выхлопной полости на пневмопривод.
3.6 Выводы по главе 3.
4 ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДОПУСКАЕМОГО УРОВНЯ НАГРУЖЕНИЯ ПРИ СРАБАТЫВАНИИ.
4.1 Постановка задачи.
4.2 Допускаемая нагрузка при динамическом нагружении от срабатывания топливного пневмоклапана.
4.3 Условие установившегося движения пневмопривода.
4.4 Разработка критериев и условий обеспечения допускаемого уровня динамического нагружения.
4.5 Выводы по главе 4.
5 АНАЛИЗ И СРАВНЕНИЕ РАСЧЕТНЫХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ ПНЕВМОКЛАПАНОВ ЦЕНТРАЛЬНОГО БЛОКА РАКЕТОНОСИТЕЛЯ «ЭНЕРГИЯ».
5.1 Постановка задачи.
5.2 Краткая характеристика конструкций криогенных топливных пневмоклапанов окислительной системы центрального блока ракетоносителя "Энергия".
5.3 Результаты расчета статической прочности и ее отработки при проведении испытаний.
5.4 Результаты расчета параметров и их замеров при испытаниях пневмоклапанов.
5.5 Динамическое нагружение. Расчеты при проектировании'и результаты испытаний.
5.5:1 Отсечной пневмоклапан. Закрытие.
5.5.2 Пневмоклапан циркуляции. Закрытие.
5.6 Количественная оценка- надежности по результатам- наземных испытаний.
5.7 Выводы по главе 5.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.
Данная работа посвящена исследованию динамических процессов нагруже-ния и обеспечения прочности конструкции, надежности функционирования при срабатывании'криогенных топливных пневмоклапанов сверхтяжелого ракетоносителя: При проведении исследования использованы проектная и конструкторская документация, расчеты при проектировании, отчеты по программам автономной отработки и обобщен практический опыт работы конструкторских подразделений на Волжском Филиале НПО «Энергия» имени С.П. Королева (в настоящее время ЗАО ВКБ РКК «Энергия») по созданию топливных пневмоклапанов для центрального блока ракетно-космической системы «Энергия». Под руководством Главного конструктора Пензина Б.Г., а затем Петренко С.А. коллектив конструкторского бюро разработал конструкторскую документацию, обеспечил производство, наземную отработку, транспортировку, сборку на испытательном полигоне центрального (Ц) и стартово-стыковочного (Я) блоков ракетоносителя.
Автор принимал непосредственное участие в разработке конструкций, проведении испытаний около 100 наименований агрегатов автоматики пневмогид-равлических систем, различных устройств силовых связей, защитных устройств-и ряда специальных механизмов для блоков Ц и Я ракетоносителя «Энергия». В практику проектирования были внедрены новые методики и программные комплексы по расчетам на прочность, нагружения и расчетов динамических процессов срабатывания агрегатов, механизмов и устройств ракетно-космической техники.
Предлагаемые в работе методы расчета и выбора параметров при проектировании топливных пневмоклапанов,прошли апробирование от этапа проектирования до завершения наземных испытаний и выдачи заключения по прочности и надежности для штатной эксплуатации исследуемой группы агрегатов окислительной системы центрального блока.
Результаты работы представляют практический интерес при создании подобных устройств для криогенных топливных систем вновь разрабатываемых ракетоносителей сверхтяжелого класса.
Работа выполнена при поддержке Федерального агентства по образованию ( проект РНП 2.1.1.3393 и проект РНП 2.1.1.889).
Актуальность темы. Научно-технический прогресс в агрегатостроении базируется на современных методах проектирования и технического обеспечения производства и испытаний. Их рациональная совокупность может поднять на более высокий уровень процесс создания надежных и экономичных агрегатов для различных отраслей техники. Решение этой проблемы-наиболее значимым является для области проектирования и производства агрегатов автоматики пневмогидравлических систем ракетно-космической и авиационной техники, так как требования к надежности очень высоки, а их отказы могут привести к катастрофическим последствиям.
На стадии разработки проекта решающее значение для надежности имеет оптимальный выбор схемы агрегата, рабочих параметров, их сочетание, компоновка, оптимальное конструирование, а также разработка конкретных узлов и агрегата в целом.
Агрегаты топливных систем ракетоносителей, использующих в двигательных установках криогенные виды, топлива, наряду с крупными габаритами, большими подвижными массами отличаются повышенной силовой характеристикой пневмоприводов; что приводит к высокому уровню динамического на-гружения при их срабатывании. Именно данный динамический процесс является определяющим фактором с точки зрения* обеспечения-требуемого ресурса и надежности агрегатов. Таким образом, решение задачи математического моделирования динамического процесса нагружения, при срабатываниях- топливных пневмоклапанов является наиболее ценным на ранних этапах проектирования, так как это позволяет в последующем значительно сократить сроки и затраты на проведение наземной отработки и выдачи заключения, для штатной эксплуатации. Получение точных аналитических решений динамического нагружения 7 при срабатывании - это крайне сложная и в большинстве случаев неразрешимая задача в силу физической нелинейности уравнений состояния процесса и большого числа параметров системы, влияющих на него. Предпочтительным способом решения данной задачи при проектировании является использование метода конечных элементов динамики механизмов и приводов, который реализован в специализированных расчетных комплексах с использованием вычислительной техники. Однако его применение требует теоретического обоснования оптимального и согласованного выбора параметров пневматической, гидравлической и механической систем агрегата, обеспечивающих допускаемый уровень нагружения элементов конструкции.
Решение задачи создания- высоконадежных топливных пневмоклапанов ракетоносителей сверхтяжелого класса и определяет актуальность темы диссертационной работы, заключающейся в разработке теоретических основ метода выбора параметров при проектировании, правильное сочетание которых обеспечивает допускаемый уровень динамического нагружения при срабатываниях. Научной основой этого метода является математическое моделирование исследуемых процессов, нагружения.
Цель работы. Исследование динамических процессов нагружения, возникающих при срабатывании криогенного топливного пневмоклапана; и разработка методов выбора параметров из условия обеспечения допускаемого уровня-нагружения.
Научная новизна: теоретически обоснованы и предложены новые методы выбора параметров проектирования криогенных топливных пневмоклапанов ракетоносителей, которые обеспечивают допускаемый уровень динамического нагружения при срабатывании.
Практическая ценность заключается в разработке, методов проектирования топливных пневмоклапанов, позволяющих значительно улучшить показатели ресурса, прочности конструкции и надежности функционирования агрегатов в целом, что позволило применить их при создании агрегатов окислительной системы центрального блока ракетоносителя-«Энергия». 8
Достоверность основных научных результатов обеспечивается обоснованностью исходных представлений о физической природе процессов* строгостью математического аппарата, принятых допущений и упрощений, сравнением данных расчетов по предложенным моделям с экспериментальными значениями, полученными при проведении наземных испытаний агрегатов топливной окислительной системы центрального блока ракетоносителя «Энергия».
На защиту выносится:
1) анализ вопросов обеспечения« технических характеристик при проектировании криогенных топливных пневмоклапанов ракетоносителей;
2) исследование динамического нагружения при срабатываниях пневмоклапанов методами математического моделирования;
3) построение математических и конечно-элементных моделей в расчетах динамического нагружения при срабатывании'пневмоклапанов;
4) разработка критериев и условий, обеспечивающих допускаемый уровень нагружения при срабатывании пневмоклапанов;
5) анализ и сравнение результатов, расчетов при проектировании и испытаниях пневмоклапанов окислительной системы центрального блока ракетоносителя "Энергия".
Структура и объем работы. Диссертация* состоит из введения, пяти, глав, заключения, списка использованных источников и трех приложений. Работа содержит 184 страницы основного текста, 57 рисунков, 15'таблиц.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
В результате проведенного комплекса теоретических исследований и сравнения расчетных параметров проектируемых криогенных топливных пневмоклапанов с их значениями при испытаниях по программам автономной наземной отработки разработаны новые научно обоснованные методы проектирования, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в области создания высоконадежных агрегатов автоматики ПГС ракетоносителей.
В - порядке подведения итогов исследования сформулированы следующие основные результаты и выводы:
1. Предложен и реализован единый подход к исследованию процесса динамического нагружения при срабатывании криогенного топливного пневмоклапана. Исходя из необходимости разбивки? процесса динамики срабатывания на два* этапа, позволяющего значительно упростить решение задачи нагружения, в качестве методов исследования определено совместное использование метода теории механического удара и колебаний и метода конечных элементов динамики механизмов и приводов.
2. Разработан общий порядок построения расчетных моделей теории механического удара и колебания, основанный на приведении исследуемой механической системы к эквивалентной. Обоснованы и введены основные допущения, которые позволяют значительно упростить решение задачи расчета процесса динамического нагружения при срабатывании.
3. Проведен анализ особенностей использования расчетного комплекса «Зенит», реализующего метод конечных элементов динамики механизмов и приводов в расчетах динамического нагружения. При этом установлена достаточность объема библиотеки конечных элементов для моделирования воздействия активных и диссипативных сил, граничных и других условий. Для моделирования подвижной и неподвижной частей конструкции рекомендовано применение метода подконструкций (суперэлементов).
4. Разработаны и предложены для практического применения критерии и условия допускаемого нагружения при выборе параметров проектируемого криогенного топливного пневмоклапана сверхтяжелого ракетоносителя, в котором применяются встроенные демпферы комбинированного действия. Данные условия в виде аналитических выражений связывают параметры механической, пневматической и гидравлической систем пневмоклапана.
5. Проведен сравнительный анализ значений расчетных параметров при проектировании с их значениями при испытаниях для группы исследуемых пневмоклапанов окислительной системы блока Ц ракетоносителя «Энергия». Тем самым подтвержден правильный выбор следующих методик расчета при проектировании пневмоклапанов: газодинамического расчета; расчета статической прочности; расчета динамического нагружения при срабатывании.
6. Сформулированные в работе принципы проектирования и их использование при создании криогенных топливных пневмоклапанов исследуемой группы окислительной системы блока Ц ракетоносителя «Энергия», позволили создать высоконадежные агрегаты с ресурсом, значительно превышающим требуемый и на испытании небольшой партии агрегатов (не более 17 единиц) подтвердить требуемую надежность по техническому заданию на разработку.
1. Альтшуль А.Д., Киселев П.Г. Гидравлика и аэродинамика (основы механики жидкости) — М.; Издательство литературы по строительству, 1965-274с.
2. Архаров A.M. и др. Криогенные системы. Основы теории и расчет. Учебное пособие для вузов, 2-е издание, переработанное и доп. — М.; Машиностроение, 1988 — 464с.
3. Архаров A.M. и др.Теория и расчет криогенных систем. Учебное пособие для вузов М.; Машиностроение, 1978 - 415с.
4. Биргер И.А., Пановко Я.Г., Болотин. В.В. и др. Прочность. Устойчивость колебания. Справочник в трех томах. Том 3- М.; Машиностроение, 1968 —567с.
5. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иосилевич Г.Б. Расчет на прочность деталей машин. Справочник. Изд. 4-е. М.; Машиностроение, 1993 640с.
6. Блехман И.И. и др. Вибрации в технике нелинейных механических систем. Том 2. — М.; Машиностроение, 1979 — 351с.
7. Болотин В.В. и др. Вибрации^ в технике. Колебания линейных систем. Том 1. М.; Машиностроение, 1978 - 352с.
8. Бродянский В.М., Семенов A.M. Термодинамические основы криогенной техники — М.; Энергия, 1980 448с.
9. Бугаенко В.Ф. Пневмоавтоматика ракетно-космических систем. — М.; Машиностроение, 1979— 168с.
10. Ю.Волков Л.И., Шишкович A.M. Надежность летательных аппаратов —
11. М.; Высшая школа, 1975 — с. П.Генкин М.Д. и др. Измерения и испытания. Том 5. — М.; Машиностроение, 1981 -496с.
12. Герц Е.В., Крейнин Г.В. Расчет пневмоприводов. Справочное пособие -М.; Машиностроение, 1975 -272с.
13. Герц Е.В., Крейнин Г.В. Динамика пневматических приводов М.; Машиностроение, 1964-250с.
14. Диментберг и др. Вибрации в технике. Колебания машин, конструкций и их элементов. Том 3. — М.; Машиностроение, 1980 — 544с.
15. Ершов Н.Ф., Шахверди Г.И. Метод конечных элементов в задачах гидродинамики и гидроупругости. — Л.; Судостроение, 1984 — 240с.16.3енкевич О. Метод конечных элементов в технике М.; Мир, 1975 -541с.
16. Квасов В.М. Основы создания агрегатов автоматики пневмогидравлических систем летательных аппаратов и двигателей. Часть I Самара, 1993 - 375с.
17. Колесников К.С. Динамика ракет. Учебник для, вузов — М.; Машиностроение, 1980 376с.
18. Колесников К.С., Рыбак С.А., Самойлов Е.А. Динамика топливных систем ЖРД —М.; Машиностроение, 1975 172с.
19. Кондиков JI.A., Голубев А.И., Гордеев В.В. и др. Уплотнение и уплотнительная техника: Справочник — М.; Машиностроение, 1994 — 448с.
20. Курков C.B. Метод конечных элементов в задачах динамики механизмов и приводов: — Санкт — Петербург; Политехника, 1992 — 224с.
21. Лавендел Э.Э. и др. Вибрации в технике. Вибрационные процессы и машины. Том 4. М.; Машиностроение, 1981 - 509с.
22. Лизин В.Т., Пяткин В.А. Проектирование тонкостенных конструкций. — М.; Машиностроение, 1976 408с.
23. Малков Н.П. и др. Справочник по физико-техническим основам криотехники, 3-е изд., переработанное и доп. М.; Энергоатомиздат, 1985-432с.
24. Механические испытания конструкционных сплавов при криогенных температурах. Сборник научных трудов Киев, Наукова думка, 1982 -212с.
25. Микулин Е.И. Криогенная техника. Учебное пособие для вузов.— М.; Машиностроение, 1969 — 270с.
26. Мишин В.П. и др. Основы конструирования ракет — носителей космических аппаратов — М.; Машиностроение, 1991 — 416с.
27. Пановко Я.Г. Введение в теорию механического удара М.; Наука, 1977-224с.
28. Петренко С.А., Шорин В.П. Методы обеспечения функциональной надежности пневмогидравлических и топливных систем блока ракетно-космического комплекса Самара; НПО «Импульс», 1994 — 256с.
29. Применение конструкционных материалов, уплотнений и клапанов в условиях низких температур (до 254 °С). Техническая справка по материалам отечественной и зарубежной литературы, 1968 — 50с; (ОНТИ №303).
30. Ратманский О .И;, Кричкер И.П. Арматура реактивных систем управления космических летательных аппаратов — М.; Машиностроение, 1980 — 136с.
31. Романенко Н.Т. Агрегаты пневматических систем летательных аппаратов М.; Машиностроение, 1976- 176с.
32. Романенко Н.Т., Куликов Ю.Ф. Криогенная арматура М.; Машиностроение, 1978 - 110с.
33. Судаков P.C. Теория испытаний М.; Машиностроение, 1976 — 318с.
34. Судаков P.C., Северцев H.A., Титулов В.Н., Чесноков Ю.М.
35. Статические задачи отработки систем и таблицы для числовыхрасчетов показателей надежности. М.; Высшая школа, 1975 с.162
36. Судаков P.C., Тескин О.И., Северцев H.A. Оценка надежности изделий на этапе конструкторских испытаний М.; Машиностроение, 1974 -315с.
37. Тескин О.И., Плеханов В.Ш. Планирование испытаний для контроля надежности в утяжеленных режимах. Надежность и контроль качества1. М.; Машиностроение.
38. Тескин О.И., Сонкина Н.П., Плеханов В.Ш. Прогнозирование доверительных границ и планирование испытаний при контроле параметрической надежности — М,; Машиностроение, 1985 — 292с.
39. Ульянин Е.А., Сорокина H.A. Стали и сплавы для криогенной.техники- М.; Металлургия, 1984 208с.
40. Филин Н.И., Буланов* А.Б. Жидкостные криогенные системы JL;
41. Машиностроение, Ленинградское отделение, 1985 — 247с.
42. Чегодаев Д.Е., Мулюкин О.П. Элементы клапанных устройств авиационных агрегатов и их надежность М., МАИ, 1994— 208с.
43. Эйдельман Л.И. Топливные клапаны жидкостных ракетных двигателей -М.; Машиностроение, 1970-244с.
44. Пакет прикладных программ расчета динамики^ и прочности«' механических систем «Зенит». Версия 3.1. Комплект STT. Статический расчет пространственных конструкций^ и > формирование суперэлементов. Описание применения — С.-П., 1992-73с.
45. Пакет прикладных программ расчета* динамики и прочности механических систем «Зенит». Версия 3.1. Комплекс STD: Расчет напряжений и деформаций в пространственных конструкциях при динамическом нагружении. Описание применения. — С.-П., 1992-22с.
46. Пакет прикладных программ расчета динамики и прочности механических систем «Зенит». Версия 3.1. Комплекс DNM. Решение задач динамического анализа механизмов и приводов. Описание применения. — С.-П., 1992-52с.
47. Петренко С.А. и др. 11К25.3501А-0. Клапан отсечной. Конструкторская документация этапа ЛКИ.
48. Петренко С.А. и др. 11К25.3501А-0 ПМ-1. Клапан отсечной. Программа методика, отчеты о проведении КДИ, ЧИ, ИН.
49. Петренко С.А. и др.11К25.3501А-0 Р06. Клапан отсечной. Расчет газодинамический.
50. Труфанов Б.А. и др. 11К25.3501А-0 Р12. Клапан отсечной. Расчет надежности.
51. Андреев A.B., Федоренко Г.П., Сазанов В.П. 11К25. 3501А-0 Р14. Клапан отсечной. Расчет на прочность.
52. Петренко С.А. и др. 11К25. 3502А-0. Пневмоклапан циркуляции. Конструкторская документация этапа ЛКИ.
53. Петренко С.А. и др. 11К25. 3502А-0 ПМ-1. Пневмоклапан циркуляции. Программа методика, отчеты о проведении КДИ, ЧИ, ИН.
54. Петренко С.А. и др. 11К25.3502А-0 Р06. Пневмоклапан циркуляции. Расчет газодинамический.
55. Труфанов Б.А. и др. 11К25.3502А-0 Р12. Пневмоклапан циркуляции. Расчет надежности.
56. Андреев A.B., Федоренко Г.П., Сазанов В.П. 11К25.3502А-0 Р14. Пневмоклапан циркуляции. Расчет на прочность.
57. Петренко С.А. и др. 11К25.3503-0. Пневмоклапан закольцовки циркуляции. Конструкторская документация этапа ЛКИ.
58. Петренко С.А. и др. 11К25.3503-0 ПМ-1. Пневмоклапан закольцовки магистрали циркуляции. Программа — методика, отчеты о проведении КДИ, ЧИ, ИН.
59. Петренко С.А. и др. 11К25.3503-0 Р06. Пневмоклапан закольцовки магистрали циркуляции. Расчет газодинамический.
60. Труфанов Б.А. и др. 11К25.3503-0 Р12. Пневмоклапан закольцовки магистрали циркуляции. Расчет надежности.
61. Андреев A.B., Федоренко Г.П., Сазанов В.П. 11К25.3503-0 Р14. Пневмоклапан циркуляции. Расчет на прочность.
62. Петренко С.А. и др. 11К25.3504А-0. Клапан слива. Конструкторская документация этапа ЛКИ.
63. Петренко С.А. и др. 11К25ю 3504А-0 ПМ-Г. Клапан слива. Программа — методика, отчеты о проведении КДИ, ЧИ, ИН.
64. Петренко С.А. и др. 11К25, 3504А-0 Р06. Клапан слива. Расчет газодинамический.
65. Труфанов Б.А. и др. 11К25, 3504А-0 Р12. Клапан слива. Расчет надежности.
66. Андреев A.B., Федоренко Г.П., Сазанов В.П. 11К25, 3504А-ОР14. Клапан слива; Расчет на прочность.
67. Петренко С.А. и др. 11К25.3505-0. Клапан заправки и термостирования. Конструкторская документация этапа ЛКИ.
68. Петренко С.А. и др. 11К25.3505-0 ПМ-1. Клапан заправки и термостатирования. Программа методика, отчеты о проведении КДИ; ЧИ, ИН.
69. Петренко С.А. и др. 11К25.3505-0 Р12. Клапан заправки и термостатирования. Расчет газодинамический.
70. Труфанов Б.А. и др. 11К25.3505-0 Р12. Клапан заправки и термостатирования. Расчет надежности.
71. Андреев A.B., Федоренко Г.П., Сазанов В.П. 11К25.3505-0 Р14. Клапан заправки и термостатирования? Расчет на прочность.
72. Петренко С.А. и др. 11К25.3509А-0. Пневмоклапан отсечки магистрали циркуляции. Конструкторская документация этапа ЛКИ.
73. Петренко С.А. и др. 11К25.3509А-0 ПМ-1. Пневмоклапан отсечки магистрали циркуляции. Программа — методика, отчеты о проведении, КДИ, ЧИ, ИН.75:Петренко С.А. и др. 11К25.3509А-0 Р06. Пневмоклапан отсечкимагистрали циркуляции. Расчет газодинамический.165
74. Труфанов Б.А. и др. 11К25.3509А-0 Р12. Пневмоклапан отсечки магистрали циркуляции. Расчет надежности.
75. Андреев A.B., Федоренко Г.П., Сазанов В.П. 11К25.3509А-0 Р14. Пневмоклапан отсечки магистрали циркуляции. Расчет на прочность.
76. Труфанов Б.А. и др. 326У.011.001. Методика оценки надежности агрегатов и узлов пневмогидравлических систем по результатам испытаний.
77. Андреев A.B. и др. SSA-5.0. Расчет осесимметричных оболочечных конструкций. Руководство пользователю.
