Обеспечение заданного быстродействия беспружинных рычажно-грузовых электропневмоклапанов тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

□□3486350

На правах рукописи

Фнногенов Сергей Александрович

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЗАДАННОГО БЫСТРОДЕЙСТВИЯ БЕСПРУЖИННЫХ РЫЧАЖНО-ГРУЗОВЫХ ЭЛЕКТРОПНЕВМОКЛАПАНОВ

01.02.06-Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 3 ДЕК 2009

Самара - 2009

003486350

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Самарский государственный университет путей сообщения» и ГОУ ВПО «Орловский государственный технический университет»

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор

Ковтуиов Александр Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Белоусов Анатолий Иванович

кандидат технических наук, доцент Поляков Роман Николаевич

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Курский государственный технический

университет»

Защита состоится « 24 » декабря 2009 года в 13— часов на заседании диссертационного совета Д 212.182.03 при ГОУ ВПО «Орловский государственный технический университет» по адресу: 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, 29

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

ГОУ ВПО «Орловский государственный технический университет»

Автореферат разослан « го » ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

М.И. Борзенков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Беспружинная управляемая клапанная пневмоарматура, существенную долю которой составляют грузовые и рычажно-грузовые конструкции электроппевмоклапанов (ЭПК), занимает должную нишу в системах управления и регулирования давления расхода рабочих сред в различных отраслях отечественной промышленности.

Анализ причин, сдерживающих развитие работ по созданию и повышению динамического качества беспружинных рычажно-грузовых электропневмоклапанов показал:

1. Работы по созданию агрегатов такого рода и повышению их динамического качества ведутся эпизодически без ориентации на системный подход.

2. Отсутствуют сводные классификационные схемы таких агрегатов с детализированным классифицированием входящих в их состав узлов и элементов.

3. Отсутствуют обобщенные математические и программные модели агрегатов с учетом вносимых рычажным звеном дополнительных силовых воздействий во взаимосвязи с быстродействием, сроком службы и герметизирующей способностью клапанно-седельных пар и уплотнительных рычажно-поршневых звеньев.

4. В отрасли практически отсутствует специализированная научная литература по конструкторско-технологическому обеспечению качества агрегатов такого рода на стадиях эскизного проектирования на базе предварительно полученных результатов инструментальных методов и средств обеспечения динамического качества проектируемой пневмоарматуры, базирующихся на накопленном теоретико-экспериментальном заделе знаний в данной области клапанного агрегатостроения.

5. Проводимые в отечественной промышленности структурные и экономические преобразования потребовали корректировки и разработки новых подходов к этапам создания беспружннной пневмоарматуры с учетом неуклонного повышения стоимости материалов и энергоресурсов, обуславливающего ситуацию экономической невыгодности проведения большого объема экспериментальных и доводочных работ. В связи с этим резко повышается роль машинных (инструментальных) средств проектирования пневмоарматуры.

Работа, нацеленная на восполнение недостающей ниши знаний в области теории и практики проектирования беспружинных электропневмоклапанов с рычаж-но-клапанными звеньями базируется на научно-методически обоснованном комплексе исследований и разработанных практических рекомендаций по обеспечению стабильности времени их срабатывания в пневмосистемах с опорожняемыми резервуарами сжатого газа конечного объема.

В связи с этим тема диссертации является весьма актуальной, что подтверждается ее соответствием координационным планам федеральной «Программы энергосбережения на железнодорожном транспорте в 1998-2000, 2005 годах (Постановление Правительства РФ от 04.07.98 № 262 ПРУ)» и реализуемой в СамГУПС Международной Европейской программы «ТЕМПУС» по насыщению учебной программы «Мехатроника и робототехнические комплексы» (2005-2007 годы) фундаментальными и научно-прикладными разработками уплотнительной техники.

Работа выполнялась в рамках договора № 1-06 «О научно-техническом и педагогическом сотрудничестве Орловского государственного технического университета (ОрелГТУ) и Самарского государственного университета (СамГУПС) на 20062010 г.г.» по повышению динамического качества транспортной техники и энергетических установок.

Цель работы - совершенствование инструментальных средств проектирования беспружинных рычажно-грузовых электропневмоклапанов жесткими требованиями по быстродействию рычажно-клапанных звеньев при опорожнении резервуаров сжатого газа.

Задачи исследования:

1. Сопоставить разнотипные по структурному содержанию пружинные и беспружинные электропневмоклапаны и составляющие их рычажно-клапанные звенья по качеству выходных параметров (быстродействие, герметизирующая способность, срок службы).

2. Разработать обобщенную математическую модель и программный продукт по исследованию динамического качества системы «привод - рычажно-грузовой эпектропневмоклапан» с оценкой предельных возможностей известных типов

электроприводных устройств и механизмов регулирования рабочим ходом кла-панно-седельных пар.

3. Провести вычислительный эксперимент по моделированию динамики беспружинных рычажно-грузовых конструкций электропневмоклапанов в сопоставлении с данными аналогичных исследований пружинных клапанных агрегатов, позволяющий получить удовлетворяющие практические нужды клапанного агре-гатостроения результаты и свойства моделируемого объекта на упрощенной обобщенной математической модели при минимизации потребного для их построения объема экспериментальных данных.

4. Создать на основе разработанных математической модели, программного продукта и вычислительного эксперимента различные по назначению и структуре высокоэффективные беспружинные электропневмоклапаны с заданным быстродействием для пневмосистем с опорожняемыми резервуарами газа; провести их систематизацию и классифицирование.

Объект исследования - класс беспружинных рычажно-грузовых электропневмоклапанов, который рассматривается в виде комплекса «резервуар с избыточным давлением рабочей среды — электропневмоклапан — потребитель среды», динамические и теплофизические свойства которого изменяются по мере опорожнения резервуара с сжатым газом.

Предмет исследования - процессы формирования рычажно-клапанным звеном дополнительных компенсационных воздействий, которые определяют динамические свойства беспружинного электропневмоклапана и позволяют уменьшить интенсивность влияния изменения термодинамических параметров рабочей среды на стабильность времени его срабатывания.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены на основе классических методов расчета динамических систем с линейными и нелинейными упругодеформирующими элементами. Использовались методы математического моделирования и численного решения уравнений на базе разработанных алгоритмов, компьютерных программ и базы данных, сформированной с учетом результатов теоретико-экспериментальных исследований, полученных как автором, так и

другими авторами с привлечением математико-статистических методов и современных средств вычислительной техники.

Научная новнзна:

1. Разработана обобщенная математическая модель и программа расчета рациональных параметров пружинно-мембранного ЭПК и его частных конструктивных решений с разнотипными задатчиками нагрузки в виде пружинных, грузовых и рычажно-грузовых механизмов.

2. Определены пределы изменения временных параметров срабатывания исследуемого семейства беспружинных электропневмоклапанов в зависимости от изменения термодинамических свойств рабочей среды в опорожняемых резервуарах сжатого газа в сопоставлении с изменением данных параметров в пружинных клапанных аналогах.

3. Выявлены новые закономерности протекания динамических процессов в электропневмоклапанах такого рода в зависимости:

- от варьирования термодинамических параметров рабочей среды в опорожняемых резервуарах сжатого газа;

- от изменения динамических параметров комплекса «резервуар сжатого газа-агрегат-потребитель» при целенаправленном варьировании конструктивных параметров динамической системы «привод — рычажно-грузовой клапан» при разнотипных задатчиках нагрузки.

4. Дополнена и систематизирована классификационная схема беспружинной рычажно-грузовой клапанной пневмоарматуры с детальным классифицированием ее составных звеньев, позволяющая оценить этапы совершенствования пневмоарматуры такого рода и перспективные направления повышения ее быстродействия, срока службы и эргономического качества.

На зашнту выносятся:

1. Математическая модель и программный продукт для оценки функциональных свойств семейства электропневмоклапанов с пружинным, грузовым, рычажно-пружинным и рычажно-грузовым задатчиками нагрузки.

2. Пределы изменения временных параметров исследуемых типов ЭПК с учетом

выявленных закономерностей протекания в них динамических процессов при варьировании термодинамических параметров рабочей среды и изменении конструктивных параметров динамической системы «привод-рычажно-грузовой клапан».

3. Технические решения беспружинных ЭПК и других типов арматуры с ры-чажно-клаланными звеньями.

4. Результаты систематизации (классифицирования) арматуры такого рода и . практические рекомендации по обеспечению заданных быстродействия, герметизирующей способности и сроку службы.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью постановки задач исследования, обоснованностью используемых теоретических построений, допущений и ограничений, применением апробированных аналитических и численных методов анализа, современной вычислительной техники и программного обеспечения и внедрением результатов диссертации в учебном процессе СамГУПС.

Практическую ценность работы составляют результаты систематизации разнотипных конструкций беспружинных электропневмоклапанов с рычажно-клапанными звеньями, их конструктивные решения и программы расчета рациональных параметров агрегатов подобного рода и их составных звеньев.

Реализация результатов работы:

Результаты работы используются в учебном процессе СамГУПС и в методике расчета рациональных параметров динамической системы «привод — рычажно-грузовой электропневмоклапан» в службах Куйбышевской железной дороги ОАО «РЖД».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на: Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2005», г. Ростов на Дону, РГУПС, 2005 г.; 34-й научной конференции студентов и аспирантов «Дни студенческой науки», г. Самара, СамГАПС, 2007; Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы динамики и прочности материалов и конструкций: модели, методы, решения», г. Самара, СамГУПС и ОрелГТУ, 2007 г.; 12-ой международной научно-технической конференции «Гер-

метичность, вибронадежность и экологическая безопасность насосного и компрессорного оборудования». - «Гервикон-2008» (9-12 сентября 2008г.), г. Перемышль, Польша, 2008г.; Всероссийской научно-практической конференции, посвященной памяти проф. JI. И. Кошкина (16-18 сентября 2008 г.) «Перспективные инновации в науке и оборудовании», г. Самара, СГПУ, 2008 г.; Международной научной конференции «Современные проблемы математики, механики, информатики», г. Тула, ТулГУ, 2008г.; Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития транспортного комплекса», г. Самара, СамГУПС, 2009 г.; рассмотрены и одобрены кафедрой АСЭУ, СГАУ, 2009 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 научных работ общим объемом 5,4 п. л., из них 18 статей в научных сборниках, 2 патента РФ на полезные модели.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы из 104 наименований и двух приложений. Основной текст изложен на 152 страницах и содержит 44 рисунка и 8 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, дается краткая характеристика диссертационной работы, отмечена научная новизна и отражены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе на основе критического анализа литературных и патентных источников информации охарактеризовано состояние исследований по обеспечению функциональной надежности ЭПК и других видов пружинной и беспружинной клапанной пневмоарматуры без и с рычажно-клапанными звеньями.

Отмечен значительный вклад в обеспечение надежности и устойчивого функционирования клапанных агрегатов представителей различных школ ученых-механиков России и бывшего СССР: Э.И. Эдельмана, Г.Г. Стратиневского, Б.В. Кармугина, Д.Ф. Гуревича, В.Ф. Бучаенко, Т.В. Кондратьевой, Б.Т. Ситникова, J1.A. Кондакова, А.М. Долотова, О.П. Мулюкина, С.В. Фалалеева и др. Должное

внимание уделено оценке вклада отечественных и зарубежных ученых (К.В. Фролов, Н.Д. Кузнецов, Я.Г. Пановко, В.П. Шорин, Д.Е. Чегодаев, А.И. Белоусов, Е.В.Шахматов, А.Г. Гимадиев, С.Ф. Корндорф, P.A. Ружичка, A.A. Ален и др.) в теорию и практику проектирования гидропневмотопливных агрегатов (ГПТА) с управляемым качеством переходных процессов. Отражены общие направления исследований и тенденции решения задач обеспечения динамического качества исследуемого класса пневмоарматуры.

В результате анализа сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе охарактеризованы известные классификационные схемы применяемых в клапанном агрегатостроении типов беспружинной автоматической и управляемой пневмоарматуры и действующая методология проектирования разнообразных по назначению и конструктивному исполнению рычажно-грузовых предохранительных клапанов, рычажно-грузовых регуляторов давления и рычажно-грузовых электропневмоклапанов.

Показано, что динамическое качество беспружинной клапанной пневмоарматуры с при введении в ее состав рычажного звена обеспечивает существенное повышение быстродействия, герметизирующей способности и срока службы клапанно-седельных пар, чувствительных и силовых рабочих органов за счет снижения их рабочих ходов в разноплечих рычажно-шарнирных механизмах.

В третьей главе представлены результаты динамического расчета сопоставляемых по быстродействию конструкций мембранно-пружинного ЭПК (рисунок 1, а) — базовая модель; мембранно-грузового ЭПК (рисунок 1, б); рычажного мембранно-пружинного ЭПК (рисунок 2 ,а) и рычажного мембранно-грузового ЭПК (рисунок 2, б).

В базовой модели (рисунок 1, а) для определения момента начала открытия мембраны и момента окончания открывающего хода мембраны закон изменения давления определялся из предположения, что процесс истечения газа из надмем-бранной полости является адиабатическим, так как за малый промежуток времени теплообмен рабочей среды со стенками выходной магистрали практически не происходит.

Рисунок 1 - Конструктивно-расчетная схема ЭПК в составе газовом системы «Резервуар сжатого газа - ЭПК - потребитель газа»: а - мембранно-пружинный ЭПК: б - мембранно-грузовой ЭПК

№

Рисунок 2 — Конструктивно-расчетная схема ЭПК в составе газовой системы «Резервуар сжатого газа - ЭПК - потребитель газа»: а - рычажного мембранно-пружинного ЭПК: б - рычажного мембранно-грузового ЭПК

Тогда для газа в надмембранной полости ЭПК справедливо уравнение состояния идеального газа р2У2 = С2-Я-Т2, (I) где Уг - объем надмембранной полости; й2 - масса газа; Я — газовая постоянная; Т2 - абсолютная температура газа.

Дифференцируя уравнение (1), получаем К2ф2= Н'Т2(1С}2. (2)

Расход массы газа ¿/С? за отрезок времени <Л равен: <з,&'2=—(Зг0^ й = «¡ЛД ■ /а; где а2 — коэффициент расхода; - площадь сечения выходной магистрали надмембранной полости.

В предложении, что истечение газа происходит в надкритическом режиме по-

стоянная А2 для надкритического режима равна а, 2 у ^' где ^ ~ по"

казатель адиабатического процесса.

Подставляя выражения для сЮ2 и Аг в равенство (2) получаем дифференциаль-

,, Ф, , ( 2 V"1

ное уравнение для функции р2: = • /2 ■ . - ■ -,решение которо-

р-1 I ^ + V А +1

го с начальным условием р2|„0= р:(0)=р„ записывается в виде р, = р„-е'а, (3)

где через е=а, ■ /, °б°значен коэффициент снижения давления

в надмембранной полости.

В результате снижения давления в надмембранной полости в момент ( = г0 наступает статическое равновесие сил, действующих на противоположные стороны мембраны, которое определяется уравнением Рпр + р?Р-Р\(Р-1) -ру/= 0, (4) где р\ - давление газа в подмембранной полости; р2 - давление в надмембранной полости; р3 — давление газа в выходной магистрали под основным запорным органом; F- эффективная площадь мембраны;/=/^ =/3 — площадь сечений патрубков входной магистрали из резервуара и выходной магистрали ЭПК.

Давление р2 в надмембранной полости в момент I = х0 находим из уравнения (4) с учетом того, что давление в подмембранной полости до момента т0 остается постоянным и равным давлению в резервуаре газа (/7| =ро), а давление в выходной магистрали под основным запорным органом также остается неизменным и рав-

ным атмосферному (р3 = 0): р-> = а,]'-—Для

I Р Рор\

сокращения записи введем

безразмерную величину ^ = 1 ———Е^Ш. Окончательно получаемр2- £ро- (5)

Приравнивая правые части выражений (3) и (5), находим момент начала открытия мембраны г„= —-1п—. Момент начала открытия мембраны г0 возьмем за

е $

начало отсчета новой временной переменной г = / - г0. Тогда, обозначая через у(г) перемещение мембраны, запишем при начальных условиях у|г=„= х(0) = О,

—I г=о ~ у(0) = 0 уравнение движения подвижных частей мембранно-запорного узла

/-1т'

где Рпр и с - начальное усилие и жесткость пружины 11 (см. рисунок 1), соответственно; р\,рг ир3 —давления в подмембранной полости, в надмембранной полости и в начальной части выходной магистрали клапана, соответственно.

Считая давление р0 газа в резервуаре неизменным, выразим каждое из давлений р\,рг,ръ через давлениер0. Для тракта «входная магистраль - подмембранная полость - выходная магистраль ЭПК» выполняется равенство секундных расходов газа = £?1 = <2з- Секундный расход газа при истечении из резервуара в под-мембранную полость определяется по известной зависимости О,, = а„ • 1„ • А„ где а0 - коэффициент расхода; /0 - площадь проходного

сечения входного канала; р0 — давление в резервуаре и входном канале.

Давление р\ в подмембранной полости, по крайней мере в начале отхода основного запорного органа от седла, практически равно давлению р0, что позволяет говорить о докритическом режиме истечения газа из входного канала в подмем-бранную полость, поэтому коэффициент А0 имеет вид

При открытии ЭПК (отходе основного запорного органа от седла) образуется пограничная цилиндрическая поверхность площади/! = я О,у, при этом секундный расход газа, истекающего через эту поверхность, составляет: О, = а, • /, • А, ■ р{ / Л/г|~, где Я| - коэффициент расхода газа через ЭПК на начальном этапе его открытия.

Перепад давления на начальном этапе открытия ЭПК весьма значителен и соответствует режиму надкритического истечения, поэтому для коэффициента А,

массой ш: + Р1ф + с-у + р2 /)-/?, • / = О,

с!т

(6)

справедливо

учетом равенства = 0\ в

предположении Т0 = Т\ запишем „ ^

Возведя полученное равенство в квадрат, и подставив в него выражения для/0

¿1 I-к

и/|, получим квадратное уравнение —) - — ] ~-Л! ■V2 = 0, где для сокра-

[Рч] [р„) 4

щения записи введено обозначение,!2 =4--—-•[—?— V > 4—

/с + 1 и + и I «о С

Из неотрицательного решения полученного квадратного уравнения можно по-

"1 1

лучить выражение рх через р0: р, = р„ ■

2 2

За короткий промежуток времени г0 до начала открытия ЭПК давление р2 в надмембранной полости мало изменяется по сравнению с его начальным значением. Это позволяет считать, что на отрезке времени открытия клапана истечение газа из надмембранной полости по-прежнему происходит в надкритическом режиме. В этом случае остается справедливой формула (3).

С учетом новой переменной г получаем р2 = р„ ■е~а = р„ -е~п'""] = р1Г^-е~".

Секундный расход газа через сечение площади Г = Г, = яЭ, /4 выходной магистрали ЭПК равен Ц=а>-А-р/Щ, где а3-коэффициент расхода через площадь Г

С учетом того, что на начальном отрезке времени открытия ЭПК еще сохраняется большой перепад давления и истечение происходит в надкритическом режиме, коэффициент /13 можно считать равным коэффициенту А]. Считая, что в равенстве ¿>1 = 0} одинаковы коэффициенты <4| и А3 и температуры Г, и Г3, получаем а, • /(■ р, =а, •/, ■ р,. Подставляя в это равенство/1 и/3, выраженные через О, и

у, получаем зависимостьръ отр\. р,=4-—■— р.. (8)

а, £>,

Подстановка найденных выражений для р\, р2, р3, выраженных через р0, в уравнение (6) позволяет получить дифференциальное уравнение для перемещения у=у{т) мембраны ЭПК:

_ к_

т-^+Рпр + с-у + р0Р+ + + =0 (9)

где для сокращения записи принято: J = 1- —; н = 4- —• .

Р Г а, О,

В процессе открытия ЭПК давления р1 и выравниваются, следовательно, обязательно наступает момент т = ткр критического отношения давлений, когда надкритический режим истечения газа из подмембранной полости в основную выходную магистраль сменяется подкритическим. Положение клапана в этот момент достигает определенного значения укр = _)'(гкр), которое можно установить приближенно. Для этого представим соотношение давлений в момент ткр в виде

Ръ-Р'Р 1=—Г-я- Учитывая равенство (8), в котором допускаем коэффициенты

\к+У

Д

расхода а| и аз одинаковыми, находим положение клапана в момент ткр: =

Решая дифференциальное уравнение (9), можно установить момент гкр, в который положение клапана достигает значения укр. Таким образом, уравнение (9) описывает движение мембраны ЭПК от момента г = 0 до г = гкр.

Начиная с момента гкр в равенстве секундных расходов £1\ = <2з полагаем

к +1 "

2к 1

к - 1 Я и и.]

В соответствии с общепринятыми рекомендациями для коэффициента А3 допускается выражение для надкритического режима: А, =

Точный анализ изменения давления вдоль магистрали требует большого объема теоретико-экспериментальных исследований. Выбор функционального выражения для Аз может быть оправдан краткостью времени открытия клапанно-седельной пары ЭПК и перемещением вдоль магистрали места достижения критического отношения давлений. Равенство 0\ = О} при условии Т\ = Г3 имеет вид

Возведя полученное равенство в квадрат и подставив в него выражения для/] и Уз, получим квадратное уравнение, неотрицательное решение которого имеет

2 1 2к

«1/1.

2 к

А--1 Я

вид — =- + - 1 + —, где/V-=4--—-1 1 1,1

2 2\ У'

Выражая давлениер3 черезр\ получим р =

к + I и + 1) I а, •

14.1. ^

ой

В равенстве ()0 = коэффициент А0 определяется по формуле (7), а коэффициент^ - по формуле (10).

С учетом Т0 = Г| получаем:^ I

1 2

12к 1

к~\ К и и;

Я. = а/к

2 *+г

2к 1

и-Гл \Я ] Чя]

Я-

Выразив ръ через р\ по формуле (11), возведя полученное равенство в квадрат и подставив в него выражения для/0 и/,, получим квадратное уравнение

, у 1-1

[А,) (А,

1 1 ,

2 2)1 у

= 0,где для сокращения записи введено «<=2

аЖ

Неотрицательное решение полученного уравнения позволяет выразить р\ че-

1" *

( . Подстановка рь р2, ръ, выражен-

1 1

ных через р0, в уравнение (6) позволяет получить дифференциальное уравнение для перемещения у = у(т) мембраны ЭПК от момента т = ткр до т = (момента окончания открывающегося хода):

1 1 N

-+-, 1+—

2 2 V

2 2]

2+2] ^

=0 (12)

С целью повышения ресурса мембраны целесообразно обеспечить минимальность ее рабочего хода при перекладке запорного органа, так как с ростом величины рабочего хода ее гарантийный срок службы сокращается. Однако рабочий ход мембраны нельзя принимать меньшим определенной величины у\ = 0,/4, при которой обеспечивается равнопроходность (полное открытие) клапанно-седельной пары ЭПК в соответствии с равенством лО,у = 1" = яО, /4.

На основании полученных уравнений был проведен расчет динамических характеристик исследуемого электропневмоклапана, в ходе которого определены время начала открытия и время полного открытия ЭПК при различных соотношениях диаметра выходной магистрали надмембранной полости и давления ро в резервуаре со сжатым газом.

При расчете использованы следующие конструктивные и режимные параметры: а) диаметр сечения патрубков входной магистрали из резервуара и выходной магистрали клапана = 0,03 м (площадь - 0,00072 м2); б) площадь мембраны /г = 0,0017 м2; в) диаметр выходной магистрали надмембранной полости В2 = 0,0025 м; 0,0040 м; 0,0100 м; 0,0300 м (площади - 0,000004908 м2; 0,000012566 м2; 0,000078539 м2; 0,00072 м2); г) объем надмембранной полости = 51-10"6 м3; д) масса подвижных частей мембранно-запорного узла т = 1,5 кг; е) начальное усилие пружины Рпр = 50 Н; ж) жесткость пружины с = 2000 Н/м (из расчета линейного увеличения начального усилия пружины при ее сжатии на величину хода мембраны в 1,3 раза); з) коэффициент расхода газа для выходной магистрали надмембранной полости аг~ 1; и) абсолютная температура газа Г2 = 290 К; к) газовая постоянная К = 287; л) показатель адиабаты к = 1,4 (для воздуха); м) давление в резервуарер0 = 0,981 МПа; 4,905 МПа; 14,715 МПа.

Ряд результатов динамического расчета иллюстрируется рисунком 3.

Динамический расчет мембранно-грузового ЭПК (рисунок 1, б) с аналогичным (применительно к конструкции на рисунке 1. а) принципом работы существенно упрощается ввиду замены пружинного узла грузом тарированной массы. Это упрощает математическую модель мембранно-грузового ЭПК за счет исклго-

Рисунок 3 - Динамические характеристики мембраипо-пружннного ЭПК для трех диаметров йу. а) 0? = 2,5 мм; б) £>2 = 4,0 мм; в) £>2= 6,0 мм

чения из уравнений (9) и (12) слагаемых относящихся к пружине. Ряд итоговых результатов данного динамического расчета иллюстрируется рисунком 4.

1 ; :: г 7 р 1: ;

- ■ г ^~ < У < * '6 7 е 9 V 7 1.? а $ Л':

' ^ * ' "' ь

Рисунок 4 - Динамические характеристики мембранно-грузового ЭПК для трех диаметров а) О? = 2,5 мм: б) 4,0 мм; в) 02= 6,0 мм

При динамическом расчете рычажного мембранно-пружинного ЭПК (рисунок 2, а) приведенное перемещение у* мембраннопружинного узла находилось с учетом включения в ЭПК двухмассовой подвижной системы с массами, расположенными на окончаниях плеч двуплечего рычага с фиксированным положением оси его вращения (рисунок 5).

Рисунок 5 - Конструктивно-расчетная схема разноплечего ры-чажно-шарнирного механизма ЭПК

I - положение геометрической оси рычага 21 в положении посадки основного запорного органа 25 на седло 29 (см. рисунок 3); ■ 1 II - положение геометрической осп рычага 21 при отходе ос-

новного запорного органа 25 от седла 29 при повороте рычага 21 на угол у, пц, 1П2 — приведенные массы мембранно-пружинного узла 3 и основного запорного органа 25, соответственно; Ц, ¿2 - плечи разноплечего рычага 21 (принимается, что Ь < Ц из условия обеспечения у < у): у , у - перемещение масс т\ и >П2, соответственно, при повороте рычага 21 на угол у.

Из рисунка 5 следует: tgу = — = — , откуда:

¿О Ь.

¿г

Для сокращения записи представим отношения плеч рычага в виде

' * = УЬ „

С учетом (14) и (15) получено

-т.к.

' с!г

f ( агУ 1 о — - р, — + пи —----= 0.

¿г, Д, с1 т Ь,.

(13)

(15) (14)

(16)

Преобразуем (16) к виду ^ ^ - ш, £ + Єà + суЦ, + р, Г - р,( ГI- р, = 0. (17)

/

Сделав в (17) замену М = —-ш,получаем уравнение моментов подвижных

частей ЭПК в окончательном виде: Л/^-^ + Р +ст 'Ц+р^- />,[/•"-—]-/?, — = 0 (18)

Лг ' I, ' Ц,

Ряд результатов динамического расчета данного ЭПК представлен на рисунке 6.

I $ "б 7 о' V "

¿7 ? ; 4 5 £ 1 в а'~ю /' у л

Рисунок 6 - Динамические характеристики рычажного мембранно-пружипного ЭПК для трех диаметров а) £>2= 2,5 мм; б) £>2 = 4,0 мм; в) й2= 6,0 мм

Динамический расчет рычажного мембранно-грузового ЭПК (рисунок 2, б) в сопоставлении с расчетом ЭПК на рисунке 2, б существенно упрощается. Это обусловлено упрощением математической модели грузового ЭПК за счет исключения из уравнений движения слагаемых относящихся к пружине (Рпр и с). С учетом этого уравнение движения основного запорного органа рычажно-мембранного грузо-

а!у

вого ЭПК принимает вид: М—т- + р

с1т

„Р■ е- -р^ + Я■ у)- Д+ ¿У } =0,

или

с!г |

1 1 I. N —I—,|1н—г

2 2]/ у2

1 1 ,

2 2 V

1 1 , - + -, 1 + —

2 2 \ у:

= 0'

где

РЦ, р<.,Р К

Ряд результатов динамического расчета данного ЭПК приведен на рисунке 7.

; 1 5 6 1 ! ? V и е о % I ,

Рисунок 7 - Динамические характеристики рычажного мембранно-грузового ЭПК для трех диаметров Ог:

а) 02 = 2,5 мм; б) 02 = 4,0 мм; в) 02= 6,0 мм и ¿0= 1,5

При расчете рычажного мембранно-грузового ЭПК (рисунок 2, б) использовались конструктивные и режимные параметры, равные параметрам рычажного мембранно-пружинного ЭПК (масса груза принималась равной М0 = 5 кг).

Результаты вычислительного эксперимента по исследуемым типам электроп-невмоклапанов имеют хорошую сходимость (16...23%) с результатами натурных экспериментов, выполненных российскими учеными: А.И. Эдельманом при обеспечении стабильности срабатывания топливных клапанов на различных рабочих средах, включая высокотемпературные и криогенные и Д.Е. Чегодаевым, О.П. Мулюкиным при исследовании быстродействия перекладки грузовых поршней в демпферной камере, снабженной съемными дросселями с различной площадью проходного сечения.

В четвертой главе представлены разработанные при участии автора технические решения 10 видов высокоэффективных по быстродействию электропневмок-лапанов и других видов беспружинной клапанной рычажно-грузовой пневмоарма-туры с различными задатчиками нагрузки, ряд из которых представлен на рисунках 8-11.

Рисунок В - Рычажно-грузовой ПК с автоматн- Рисунок 9 - Беспружинпып рычажпо-

ческим шатуппо-кулнсным механизмом пере- шарнирный ЭПК с дпфференцпально-

стаповки осп вращения двуплечего рычага поршневым чувствительным элементом (Патенты РФ: №73094,2008; № 82882.2009 г.).

Рисунок 10 - Структурная схема беспружннпо- Рисунок 11 - Рычажпо-грузовой предохра-го рычажно-грузового пневмоклапана с изме- ннтельнын клапан с механической пере-няемым направлением гравитационной силы становкой оси вращения двуплечего ры-

чажно-шарннрного механизма

Дополнена и систематизирована классификационная схема беспружинной ры-

чажно-клапанной арматуры по виду изменения направления воздействующей на клапанно-рычажное звено гравитационной силы, способу перестановки оси вращения двуплечего рычага и виду кинематического зацепления рычажных элементов с клапанно-седельной парой.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В работе представлено решение актуальной научно-технической задачи по обеспечению быстродействия беспружинных рычажно-грузовых электропнев-моклапанов путем разработки новых технических решений, выявления закономерности их работы и совершенствования инструментальных средств их проектирования.

В процессе выполненных исследований получены следующие основные результаты и сделаны выводы:

1. Установлено, что наиболее перспективным направлением обеспечения стабильности времени срабатывания такого рода управляемой арматуры является введение в их конструкцию рычажно-клапанных звеньев, компенсирующих влияние на время срабатывания ЭПК изменения термодинамических параметров сжатого газа при его выпуске из опорожняемых резервуаров.

2. Разработаны обобщенная математическая модель и программный продукт по исследованию быстродействия пружинно-мембранного ЭПК и его частных конструктивных решений с грузовым, рычажно-пружинным и рычажно-грузовым задатчиками нагрузки; дополнены и систематизированы этапы расчета временных параметров срабатывания беспружинных грузовых и рычажно-грузовых предо-

хранительных и регулирующих клапанов в сопоставлении с параметрами их пружинных аналогов.

3. Проведено сопоставление технического совершенства разнотипных ЭПК по быстродействию и выявлены новые закономерности динамики арматуры такого рода при варьировании термодинамических параметров рабочей среды в опорожняемом резервуаре с сжатым газом и изменении конструктивных параметров динамической системы «привод -рычажно-грузовой клапан», обеспечивающие:

- выбор рациональной конструкции задатчика нагрузки силовых и уплотняющих исполнительных органов ЭПК под заданный спектр термодинамических параметров резервуаров со сжатым газом;

- прогнозирование составляющих времени срабатывания управляемой пнев-моарматуры при принятых конструктивных параметрах агрегатов при изменении инерционных, жесткостных и термодинамических параметров комплексной системы «резервуар сжатого газа-ЭПК-потребитель газа».

4. Разработаны новые технические решения беспружинной рычажно-грузовой автоматической и управляемой пневмоарматуры на базе оригинальных конструкций грузовых и рычажно-грузовых задатчиков нагрузки.

5. Дополнена и систематизирована классификационная схема беспружинных ЭПК и других типов арматуры с рычажно-клапанными звеньями, сориентированных на повышение динамического качества и сокращение сроков их проектирования.

Основное содержание днссертацноннон работы изложено в публикациях: изданиях, рекомендуемых ВАК России

1. Финогенов, С.А. Новые конструкции рычажно-грузовых предохранительных клапанов с переставляемой осью вращения двуплечевого рычага [Текст] / В.А. Гордон, Л.С. Ушаков, С.А. Финогенов и др. // Известия ОрелГТУ. - Серия «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии». - №1/273 (559). -Орел: ОрелГТУ, 2009. - С. 16-20.

2. Финогенов, С.А. Текущее состояние разработки и классифицирования предохранительной и редуцирующей ппевмогидроарматуры с исполнительными ор-

ганами из упругопористого материала МР [Текст] / О.П. Мулюкин, O.E. Лаврусь, С.А. Фииогенов и др. // Известия ОрелГТУ. — Серия «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии». -№1/273 (559). - Орел: ОрелГТУ, 2009. -С. 7-15.

3. Финогенов, С.А. Обеспечение экологической безопасности транспортировки рабочих сред под давлением в железнодорожных цистернах с предохранительными мембранами [Текст] / A.B. Ковтунов, A.C. Левченко, O.E. Лаврусь, О.П. Мулюкин, С.А. Финогенов // Безопасность жизнедеятельности. - №5. - М.: Новые технологии, 2009.-С. 18-22.

4. Финогенов, С.А. Математическая модель рычажного мембранно-пружинного электропневмоклапана [Текст] / O.E. Лаврусь, С.А. Финогенов // Вестник самарского государственного университета путей сообщения. - №2 (14). - Самара: СамГУПС, 2009. - С. 113-117.

5. Финогенов, С.А. Особенности выбора и области применения пружинной и беспружинной пневмогидроарматуры в транспортной технике: текущее состояние и тенденции развития [Текст] / A.B. Ковтунов, O.E. Лаврусь, О.П. Мулюкин, С.А. Финогенов // Вестник самарского государственного университета путей сообщения. - №3 (15). - Самара: СамГУПС, 2009. - С.124-130.

Публикации в других изданиях

6. Финогенов, С.А. Биметаллический корректор усилия пружин предохранительной клапанной арматуры перспективных типов газотурбовозов подвижного состава [Текст] / С.А. Финогенов, О.П. Мулюкин, Б.Г. Иванов, М.В. Бусыгин // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2005» в 3-х частях. - Часть 3. - Ростов н/Д: Рост. гос. ун-т, 2006. - С. 32-36.

7. Финогенов, С.А. Рычажные механизмы коррекции демпфирующих свойств роторных подвесок при смене эксплуатационных нагрузок [Текст] / С.А. Финогенов, Л.С. Ушаков, О.П. Мулюкин и др. // Актуальные проблемы динамики и прочности материалов и конструкций: модели, методы, решения: Материалы международной научно-технической конференции (1-3 июня 2007 г., Самара). - Орел: ОрелГТУ, 2007. - С. 267-269.

8. Фнногенов, С.А. Новое конструктивное решение рычажно-редуцирующего клапана мобильной транспортной техники [Текст] / О.П. Мулюкин, O.E. Лаврусь, С.А. Фнногенов, В.М. Гречишников // Вестник транспорта Поволжья. - №1 (13). -Самара: СамГУПС, 2008. - С. 23-25.

9. Фнногенов, С.А. Регулятор давления с регулируемой мощностью магнитного поля [Текст] / O.E. Лаврусь, С.А. Фнногенов, О.П. Мулюкин // Перспективные инновации в науке и образовании: Сборник трудов Всероссийской научно-практической конференции, посвященной памяти проф. Л.И. Кошкина. Самара 1618 сентября 2008 г. - Самара: Изд-во СГПУ, 2008. - С. 163-167.

10. Фнногенов, С.А. Упругодемпферные опоры с центробежным регулятором давления подстройки зазора в сопряжении «ротор-корпус» [Текст] / С.А. Фнногенов, O.E. Лаврусь, О.П. Мулюкин // Герметичность, вибронадежность и экологическая безопасность насосного и компрессорного оборудования: Труды 12-ой Международной научно-технической конференции «Гервикон-2008» (9-12 сентября 2008 г., г. Перемышль, Польша). - Перемышль, 2008. - С. 63-67.

П. Фнногенов, С.А. Динамический расчет мембранно-пружинного электроп-невмоклапана резервуара со сжатым газом [Текст] / A.B. Ковтунов, O.E. Лаврусь, О.П. Мулюкин, С.А. Фнногенов // Вестник транспорта Поволжья. - №4 (16). - Самара: СамГУПС, 2008. - С. 5-11.

12. Фнногенов, С.А. Беспружинный предохранительный магнитный клапан [Текст] / O.E. Лаврусь, О.П. Мулюкин, С.А. Финогенов // Современные проблемы математики, механики, информатики: Материалы международной научной конференции. - Тула: «Гриф и К», 2008. - С. 261 -264.

13: Патент России на полезную модель №73094 «Регулятор давления» / Б.Г. Иванов, A.B. Ковтунов, О.П. Мулюкин, С.А. Финогенов//Б.И. - №13.-2008.

14. Финогенов, С.А. Конструктивное совершенствование равнопроходных ЭПК с мембранным чувствительным элементом [Текст] / A.B. Ковтунов, С.А. Финогенов, O.E. Лаврусь, О.П. Мулюкин // Механика и процессы управления: Труды XXXVIII Уральского семинара. Том1. - Екатеринбург: УрО РАН, 2008. -С. 202-208.

15. Финогенов, С.А. Выбор типа и конструкции рычажно-грузовой и регулирующей пневмогидроарматуры наземных газозаправочных комплексов мобильной транспортной техники [Текст] / O.E. Наврусь, С.А. Финогенов // Материалы 4 Всероссийской научно-практической конференции: «Актуальные проблемы развития транспортного комплекса». - Самара: СамГУПС, 2008 - С. 288-290.

16. Финогенов, С.А. Текущее состояние разработки и производства беспружинной рычажно-грузовой предохранительно-регулирующей пневмогидроарматуры [Текст] / A.C. Левченко, O.E. Лаврусь, A.B. Ковтунов, О.П. Мулюкин, С.А. Финогенов//Вестник транспорта Поволжья. -№1 (17).-Самара: СамГУПС, 2009.-

С. 40-49.

17. Финогенов, С.А. Совершенствование конструкторско-технологического качества термоэлектрических фиксаторов пневмогидроагрегатов [Текст] / A.B. Ковтунов, С.А. Финогенов, О.П. Мулюкин // Материалы 5 Всероссийской научно-практической конференции: «Актуальные проблемы развития транспортного комплекса». - Самара: СамГУПС, 2009 - С. 373-374.

18. Патент России на полезную модель №82882 «Регулятор давления» / О.П. Мулюкин, A.B. Ковтунов, O.E. Лаврусь, С.А. Финогенов // Б.И. - №13. - 2009.

19. Финогенов, С.А. Альтернативные конструкции предохранительно-мембранных устройств железнодорожных цистерн с избыточным давлением транспортируемых рабочих сред [Текст] / O.E. Лаврусь, О.П. Мулюкин, С.А. Финогенов // Вестник транспорта Поволжья. -№2 (18). - Самара: СамГУПС, 2009. -С. 43-48.

20. Финогенов, С.А. Конструкция и расчет рычажно-поршневого предохранительного клапана с переставляемой осью вращения двуплечего рычага [Текст]

/ A.B. Ковтунов, В.Г. Малинин, С.А. Финогенов и др. // Наука и образование транспорту: Материалы международной научно-практической конференции. - Самара: СамГУПС, 2009. - С. 232-233.

Подписано к печати 18.11.2009 г. Формат 60x84 1/16.

Объем 1,0 усл. п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 1957

Отпечатано с готового оригинал-макета на полиграфической базе ГОУ ВПО «Орловский госудзрств<атый течиипйский yrnroepcwrei» 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, 29.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ТЕКУЩЕЕ СОСТОЯНИЕ, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ,

СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ПОВЫШЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ НАДЕЖНОСТИ ПРУЖИННОЙ И ГРУЗОВОЙ КЛАПАННОЙ ПНЕВМОАРМАТУРЫ.

1.1. Общие сведения о типах предохранительно-регулирующей и управляемой клапанной пневмоарматуры и принципах их выбора под конкретные условия работы в составе объекта.

1.2. Обзор опубликованных работ по динамическому качеству, тенденциям развития и перспективам повышения функциональной надежности беспружинной грузовой клапанной пневмоарматуры. 27 1.3. Определение объекта и предмета исследования, цели и постановка задач исследования.

2. КЛАССИФИЦИРОВАНИЕ И КОНСТРУКТИВНОЕ

ИСПОЛНЕНИЕ БЕСПРУЖИННОЙ РЫЧАЖНО-ГРУЗОВОЙ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНО-РЕГУЛИРУЮЩЕЙ И УПРАВЛЯЕМОЙ ПНЕВМОАРМАТУРЫ.

2.1. Рычажно-грузовые предохранительные клапаны.

2.2. Рычажно-грузовые регуляторы давления.

2.2.1. Общие сведения о методологии проектирования клапанных регулирующих устройств.

2.2.2. Конструктивное исполнение рычажно-грузовых регуляторов давления.

2.3 Рычажно-грузовые электропневмоклапаны.

2.4. Выводы.

3. ТЕОРЕТИКО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКОГО КАЧЕСТВА БЕСПРУЖИННЫХ РЫЧАЖНО-ГРУЗОВЫХ КЛАПАННЫХ АГРЕГАТОВ.

3.1. Особенности расчета и сопоставление выходных параметров беспружинных грузовых и рычажно-грузовых предохранительных клапанов с выходными параметрами пружинных предохранительных устройств аналогичного назначения.

3.2. Расчет и сопоставление выходных характеристик беспружинных грузовых и рычажно-грузовых электропневмоклапанов с выходными характеристиками пружинных управляемых устройств аналогичного назначения.

3.2.1. Грузовой мембранный электропневмоклапан и его пружинно-клапанный аналог.

3.2.2. Рычажно-грузовой мембранный электропневмоклапан с фиксированным положением оси вращения двуплечего рычага и его рычажно-пружинный аналог.

3.3. Выводы.

4. ПРИМЕРЫ КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБОВ И СРЕДСТВ ПОВЫШЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ НАДЕЖНОСТИ БЕСПРУЖИННОЙ РЫЧАЖНО-ГРУЗОВОЙ КЛАПАННОЙ ПНЕВМОАРМАТУРЫ.

4.1. Рычажно-грузовые предохранительные клапаны.

4.2. Рычажно-грузовая управляемая пневмоарматура.

4.3. Рычажно-грузовая регулирующая пневмоарматура.

4.4. Систематизация и дополнение классификационных схем и конструкций рычажно-шарнирных механизмов беспружинной клапанной пневмоарматуры с рычажно-шарнирными кинематическими связями.

4.5. Выводы.

Клапанное агрегатостроение (арматуростроение), так же как и другие отрасли промышленности, должно иметь тщательно разработанные и научно-методически обоснованные методы решения технических вопросов, связанных с выбором типа, проектированием, изготовлением и доводкой выходных параметров пневмоарматуры. И хотя конструкции пневмоарматуры обычно не отличаются сложностью кинематических связей, тем не менее при ее проектировании конструктору приходится учитывать многочисленные, сложные и разнообразные явления (вопросы ударного контактирования клапанно-седельных пар, гидравлики, трения, износа, эрозии, коррозии, прочности, в том числе динамической, влияние термоциклирования конструкции при резком перепаде температуры рабочей среды и др.) /3,9, 11, 24, 35, 104 и др./.

Беспружинная автоматическая и управляемая клапанная пневмоарма-тура, существенную долю которой составляют грузовые и рычажно-грузовые конструкции, занимает должную нишу в клапанном агрегатостроении и широко применяется в различных отраслях отечественной промышленности, и прежде всего, в пневмосистемах управления и регулирования давления и расхода рабочих сред:

- наземных (стационарных) газогидротопливных комплексах заправки мобильной транспортной техники и индивидуальных потребителей сырьевых энергоресурсов;

- с переменными теплофизическими свойствами газожидкостных сред в стационарных установках и оборудовании по производству высокомолекулярных соединений (пропилен, фенолформальдегидные смолы, поликарбонат и пр.) в химической, нефтяной и газовых отраслях промышленности;

- теплоснабжения бытового потребителя, тепловых, гидравлических и атомных электростанций в качестве защитных и предохранительно-регулирующих устройств резервуаров и сосудов с избыточным давлением рабочих сред, испытывающих существенные перепады внешних климатических и механических воздействий;

- сырьевого горнодобывающего и агропромышленного комплексов с регулируемыми параметрами рабочих сред, используемых в качестве инструментария в различных технологических процессах (гидравлическое дробление горных пород; компрессорное вентилирование газовзрывоопасных производственных участков; пневмоавтоматика механизмов предупреждения и устранения сводообразований в бункерах хранения и выпуска сыпучих материалов и др.).

Непрерывность процесса увеличения объема и номенклатуры клапанных агрегатов в общем балансе оборудования транспортных систем подтверждается ходом развития отечественного и зарубежного транспортного машиностроения. Многообразие условий работы клапанных ГПТА и отсутствие у разработчиков единого подхода к их конструированию обусловило большое разнообразие конструкций. По ориентировочной оценке патентной службы СамГУПС в 2000 году в мировом фонде насчитывалось около 190 тысяч патентов, относящихся к пневмоарматуре, и их число ежегодно увеличивается более чем на две тысячи. Причем значительная доля патентов (до 15%) приходится на уплотнения клапанных агрегатов автоматики и управления. Это свидетельствует об определенном неблагополучии, неудовлетворенности практики существующими разработками клапанных ГПТА.

Как это ни неожиданно, но из оценки той же патентной службы вытекает, что за последние десять лет резко (почти на 70 %) сократилось патентование конструкций беспружинных клапанных агрегатов автоматики и управления, включая рычажно-грузовую арматуру, хотя, как известно, до технического совершенства их конструкций, приемлимых экономичности и динамического качества еще далеко.

В связи с этим отметим, что совершенствование известных и разработка новых типов беспружинных клапанных агрегатов автоматики и управления ввиду зачастую предвзятого (пренебрежительного) к ней отношения изза кажущейся конструктивной простоты такой арматуры (и вытекающего отсюда мнения об отсутствии здесь зон приложения углубленных знаний) весьма малопривлекательно для молодых ученых и, тем более, для маститых ученых ведущих научных школ в области клапанного агрегатостроения.

Параллельно с этим следует указать на весьма существенные недостатки беспружинной рычажно-грузовой автоматической и управляемой клапанной пневмоарматуры, а именно: невысокая герметизирующая способность и малоподъемность клапанно-седельных пар, значительные массогабаритные параметры конструкции и ограниченность области применения из-за входящих в их состав грузов с тарированной массой, не допускающих изменения их ориентации относительно плоскости Земли.

Однако создание в СамГУПС при участии автора нового поколения беспружинной клапанной управляемой и автоматической пневмоарматуры с переставляемой осью вращения двуплечего рычага клапанно-поршневой системы коренным образом изменило мнение о технических возможностях беспружинных клапанных устройств и обеспечило возможность использования ряда из них в транспортной и другой технике, работа которых, в отличие от стационарных наземных объектов, сопровождается изменением их координации относительно плоскости Земли (робототехника, сварочные манипуляторы, все виды транспортных средств и др.).

За рамками настоящей работы оказались вопросы освещения современных методов обеспечения технологичности разрабатываемых типов беспружинных агрегатов автоматики и управления с учетом структурных и экономических преобразований, происходящих в отечественной промышленности и требующих корректировки и разработки новых подходов к этапам создания пневмоарматуры. Необходимо также учитывать, что неуклонное повышение стоимости материалов и энергоресурсов выводит показатели технологичности в перворазрядные, создавая ситуацию, при которой экономически невыгодными становятся большие объемы экспериментальных и доводочных работ. В связи с этим резко повышается роль машинных (инструментальных) методов и средств проектирования пневмоарматуры. При разработке программ для ЭВМ имеют важное значение данные, полученные предшественниками в процессе экспериментальных работ, и систематизация накопленной (в том числе в бывшем СССР, но забытой и невостребованной) информации по методам проектирования, изготовления и доводки выходных параметров пневмоарматуры.

В связи с этим, впервые, по мнению автора, предпринята попытка по формированию и насыщению банка данных по конструкторско-технологическим приемам создания беспружинной клапанной автоматической и управляемой пневмоарматуры на базе авторской трактовки их классификационной схемы, органически привязанной к конкретным примерам расчета динамического качества оцениваемых типов агрегатов автоматики и управления. При этом автор надеется, что результаты выполненной им кропотливой работы по формированию банка данных по беспружинной клапанной управляемой и автоматической пневмоарматуры окажутся полезными проектировщикам новой техники при совершенствовании известных и разработке новых ее типов, обеспечив сокращение затрат времени на их создание за счет переосмысления накопленного багажа знаний и опыта предшественников.

4.5 Выводы

В настоящем подразделе освещены вопросы конструкторско-технологического сопровождения проектирования высокоэффективной по функциональной надежности рычажно-грузовой клапанной пневмогидроар-матуры, а, именно:

1. Охарактеризованы конструкция, принцип действия и технологические аспекты изготовления оригинальных авторских разработок рычажно-грузовых предохранительных клапанов с рычажно-шарнирными кинематическими связями.

2. Предложено новое техническое решение рычажно-грузового ЭПК поворотного типа с изменяемым направлением гравитационного управляющего усилия.

3. Освещены новые конструктивные решения рычажно-грузовой регулирующей пневмогидроарматуры на базе рычажно-шарнирных механизмов с переставляемой осью вращения двуплечего рычага.

4. Систематизированы и дополнены классификационные схемы и конструкции рычажно-шарнирных механизмов и входящих в их состав элементов, образующих рычажно-шарнирные кинематические звенья в исследуемых типах беспружинной рычажно-грузовой клапанной арматуре.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе представлено решение актуальной научно-технической задачи по обеспечению быстродействия беспружинных рычажно-грузовых элек-тропневмоклапанов путем разработки новых технических решений, выявления закономерности их работы и совершенствования инструментальных средств их проектирования.

В процессе выполненных исследований получены следующие основные результаты и сделаны выводы:

1. Установлено, что наиболее перспективным направлением обеспечения стабильности времени срабатывания такого рода управляемой арматуры является введение в их конструкцию рычажно-клапанных звеньев, компенсирующих влияние на время срабатывания ЭПК изменения термодинамических параметров сжатого газа при его выпуске из опорожняемых резервуаров.

2. Разработаны обобщенная математическая модель и программный продукт по исследованию быстродействия пружинно-мембранного ЭПК и его частных конструктивных решений с грузовым, рычажно-пружинным и рычажно-грузовым задатчиками нагрузки; дополнены и систематизированы этапы расчета временных параметров срабатывания беспружинных грузовых и рычажно-грузовых предохранительных и регулирующих клапанов в сопоставлении с параметрами их пружинных аналогов.

3. Проведено сопоставление технического совершенства разнотипных ЭПК по быстродействию и выявлены новые закономерности динамики арматуры такого рода при варьировании термодинамических параметров рабочей среды в опорожняемом резервуаре с сжатым газом и изменении конструктивных параметров динамической системы «привод — рычажно-грузовой клапан», обеспечивающие:

- выбор рациональной конструкции задатчика нагрузки силовых и уплотняющих исполнительных органов ЭПК под заданный спектр термодинамических параметров резервуаров со сжатым газом;

- прогнозирование составляющих времени срабатывания управляемой пневмоарматуры при принятых конструктивных параметрах агрегатов при изменении инерционных, жесткостных и термодинамических параметров комплексной системы «резервуар сжатого газа-ЭПК-потребитель газа».

4. Разработаны новые технические решения беспружинной рычажно-грузовой автоматической и управляемой пневмоарматуры на базе оригинальных конструкций грузовых и рычажно-грузовых задатчиков нагрузки.

5. На базе иерархического подхода дополнена и систематизирована классификационная схема беспружинных ЭПК и других типов арматуры с рычажно-клапанными звеньями, сориентированных на повышение динамического качества и сокращение сроков их проектирования.

1. A.c. 974004 СССР МКИ3 F16K 17/06. Предохранительный клапан / О.П.Мулюкин, Ю.Н.Кондрашов, Е.В.Затуловский // БИ. 1982. - № 42.

2. A.c. 1121527 СССР МКИ3 F16K 17/10. Импульсно-предохранительное устройство / О.П.Мулюкин, Н.Н.Коленко, А.К.Дедков и др.//БИ.-1984.-№40.

3. Агрегаты пневматических систем летательных аппаратов: Монография Текст. / Под ред. Н.Т.Романенко. М.: Машиностроение, 1976. — 176с.: ил.

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

5. Александров В.А. Конструкция амортизаторов из вспененных материалов для транспортируемых приборов: Монография Текст. / В.А.Александров, В.В.Карамышкин. -М.: Машиностроение, 1985. 80с.: ил.

6. Артюхов A.B. Подавление колебаний рабочей среды в трубопроводных цепях двигателей и систем летательных аппаратов при работе нескольких насосов на одну магистраль: Дисс. .канд.техн.наук: 05.07.05. — Куйбышев: КуАИ, 1990. 248с.

7. Бансявичюс Р.Ю. Вибродвигатели: Монография Текст. / Р.Ю.Бансявичюс, К.М.Рагульскис. Вильнюс: Москлас, 1981. - 232с.: ил.

8. Батуев Г.С. Инженерные методы исследования ударных процессов: Монография Текст. / Г.С.Батуев, Ю.В.Голубков, А.К.Ефремов и др. — М.: Машиностроение, 1977. — 240с.: ил.

9. Башта Т.М. Гидравлические приводы летательных аппаратов: Монография Текст. / Т.М.Башта. -М.: Машиностроение, 1967. -495с.: ил.

10. Белов C.B. Средства защиты в машиностроении: Расчет и проектирование: Справочник Текст. / С.В.Белов, А.Ф.Козьяков, О.Ф.Партолин и др.; Под ред. С.В.Белова. М.: Машиностроение, 1989 - 368с.: ил.

11. Беляев Н.М. Реактивные системы управления космических летательных аппаратов: Монография Текст. / Н.М.Беляев, Н.П.Белик, Е.И.Уваров. М.: Машиностроение, 1979. - 232с.: ил.

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

13. Болотин В.В. Методы теории вероятностей и теории надежности в расчетах сооружений: Монография Текст. / В.В.Болотин. М.: Стройиз-дат, 1982.-351с.: ил.

14. Бугаенко В.Ф. Пневмоавтоматика ракетно-космических систем: Монография Текст. / В.Ф. Бугаенко. М.: Машиностроение, 1979. — 168с.: ил.

15. Вакулич Е.А. Методы обеспечения функциональной надежности пневмогидравлических и топливных систем блока ракетно-космического комплекса: Монография Текст. / Е.А.Вакулич, В.Д.Варивода,

16. A.Е.Жуковский и др. Самара: НПО «Импульс», 1994. - 256с.: ил.

17. Варгунин В.И. Динамическое качество управляемых клапанных агрегатов пневмогидравлических систем железнодорожного транспорта: Монография Текст. / В.И.Варгунин,. В.П.Мохонько, О.П.Мулюкин,

18. B.Н.Новикова; Под общ. ред. О.П.Мулюкина. Самара: СамГАПС, 2004. -160с.: ил.

19. Варгунин В.И. Эксплуатационная безопасность клинового гасителя колебаний тележки типа ЦНИИ-ХЗ-0 при варьировании массы железнодорожного вагона: Монография Текст. / В:И.Варгунин, П.Н.Добровольский, О.П.Мулюкин и др. Самара: СамГАПС, 2005. - 92с.: ил.

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

21. Герц Е.В. Динамика пневматических приводов машин-автоматов: Монография Текст. / Е.В.Герц, Г.В.Крейнин. — М.: Машиностроение, 1964. -272с.: ил.

22. Гимадиев А.Г. Управление динамическими свойствами пневмо-гидравлических цепей передачи информации систем-двигателей и летательных аппаратов: Дисс. . канд.техн.наук: 05.07.05. — Куйбышев: КуАИ, 1991.- 329с.

23. Гликман Б.Ф. Автоматическое регулирование ЖРД: Монография Текст. / Б.Ф.Гликман. — М.: Машиностроение, 1989. 296с.: ил.

24. Гуревич Д.Ф. Основы расчета трубопроводной арматуры: Монография Текст. / Д.Ф.Гуревич. — М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы. — Ленинградское отделение МАШГИЗА, 1962. -410с.: ил.

25. Детали машин. Расчет и конструирование: Справочник Текст. / Под ред. Н.С.Ачеркана. М.: Машиностроение, 1968: - Кн.1. - 245с.: ил.

26. Долотов А.М. Исследование отскоков в конических клапанных парах с упругим седлом Текст. / А.М.Долотов, М.С.Комаров // Доклады и научные сообщения: Вестн. Львовск. политехи, ин-та. №436. — Львов: Вища школа, 1979. — С.22-24.

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

28. Долотов A.M. Основы теории и проектирование уплотнений пневмогидроарматуры летательных аппаратов: Учебное пособие Текст. / А.М.Долотов, П.М.Огар, Д.Е.Чегодаев. М.: Изд-во МАИ, 2000. - 296с.: ил.

29. Ильинский B.C. Защита аппаратов от динамических воздействий: Монография Текст. / В.С.Ильинский. М.: Энергия, 1970. — 320с.: ил.

30. Кармугин Б.В. Клапанные уплотнения пневмогидроагрегатов: Монография Текст. / Б.В.Кармугин, Г.Г.Стратиневский, Д.А.Мендельсон. -М.: Машиностроение, 1983. — 152с.: ил.

31. Кармугин Б.В. Современные конструкции малогабаритной пнев-моарматуры: Монография Текст. / Б.В.Кармугин, В.Л.Кисель, А.Г.Лабезник. — Киев: Техника, 1980. — 295с.: ил.

32. Ковтунов A.B. Виброизоляция грузов ответственного назначения с изменяющейся массой при перевозке в железнодорожном подвижном составе: Монография Текст. / А.В.Ковтунов. — Самара: СамГАПС, 2003. -136с.: ил.

33. Ковтунов A.B. Особенности выбора и области применения пружинной и беспружинной пневмогидроарматуры в транспортной технике: текущее состояние и тенденции развития Текст. / A.B. Ковтунов, O.E. Лаврусь,

34. О.П. Мулюкин, С.А. Финогенов // Вестник самарского государственного университета путей. сообщения. №3 (15). - Самара: СамГУПС, 2009. — С.124-130.

35. Кондратьева Т.В. Предохранительные клапаны: Монография Текст. / Т.В.Кондратьева. JL: Машиностроение (Ленинградское отделение), 1976.-232с.: ил.

36. Кошанский М.С. Судовая арматура: Монография Текст. / М.С.Кошанский, В.В.Степанов, В.Н.Гольфайн и др. Л.: Судостроение, 1975.-432с.: ил.

37. Кудряшов В.Г. Вязкость разрушения алюминиевых сплавов: Монография Текст. / В.Г.Кудряшов, В.И.Смоленцов. М.: Металлургия, 1976. — 295с.: ил.

38. Курендаш З.Р. Определение напряжений в зоне контакта клапана с седлом Текст. / З.Р.Курендаш, Б.С.Шамбель // Технология машиностроения и динамическая прочность машин: Вест. Львовск. политех, ин-та. -№146. -Львов: Вища школа, 1980. С.71 - 72.

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

40. Лаврусь O.E. Динамический расчет мембранно-пружинного элек-тропневмоклапана резервуара со сжатым газом Текст. / O.E. Лаврусь, О.П. Мулюкин, С.А. Финогенов // Вестник транспорта Поволжья. №4 (16). - Самара: СамГУПС, 2008. - С. 5-11.

41. Лаврусь O.E. Математическая модель рычажного мембранно-пружинного электропневмоклапана Текст. / O.E. Лаврусь, С.А. Финогенов // Вестник самарского государственного университета путей сообщения. №2 (14). - Самара: СамГУПС, 2009. - С. 113-117.

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

43. Мулюкин О.П. Механизмы разгрузки агрегатов автоматики при хранении и транспортировке Текст. / О.П.Мулюкин, Д.Е.Чегодаев, Ф.М.Шакиров и др. // Химическое и нефтяное машиностроение, 1985. -№11. -С.18- 19.

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

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

46. Мулюкин О.П. Конструкция и проектирование агрегатов защиты и предохранения пневмогидросистем и емкостей авиационной техники и наземного оборудования: Учебное пособие Текст. / О.П.Мулюкин, Д.Е.Чегодаев, В.Г.Луканенко. Самара: СГАУ, 1997. - 49с.: ил.

47. Транспорт-2005» в 3-х частях. Часть 3. - Ростов н/Д: Рост. гос. ун-т, 2006. -С. 32-36.

48. Мулюкин О.П. Рычажно-грузовой редуцирующий клапан наземного газозаправочного комплекса Текст. / О.П.Мулюкин, Б.Г.Иванов,

49. B.М.Гречишников и др. // Материалы международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы динамики и прочности материалов и конструкций: модели, методы, решения». Самара: Орел ГТУ, 2007. —1. C. 94 95.

50. Мулюкин О.П. Новое конструктивное решение рычажно-редуцирующего клапана мобильной транспортной техники Текст. / О.П. Мулюкин, O.E. Лаврусь, С.А. Финогенов, В.М. Гречишников // Вестник транспорта Поволжья. №1 (13). - Самара: СамГУПС, 2008. - С. 23-25.

51. Мулюкин О.П. Повышение функциональной надежности мем-бранно-предохранительных устройств железнодорожных цистерн с избыточным давлением транспортируемого продукта Текст. / О.П. Мулюкин, O.E.

52. Лаврусь, С.А. Финогенов // ИНЖИНИРИНГ-2009: Сборник трудов региональной научно-практической конференции. Орел: «Издательский дом «Орловская литература и книгоиздательство» и К», 2009. - С. 25-28.

53. Никитин Ю.Ф. Электромагнитные клапаны: Монография Текст. / Ю.Ф.Никитин, Б.С.Плючин, Н.А.Рыков. М.: МВТУ, 1976. - 90с.: ил.

54. Огар П.М. Исследование влияния контактных давлений в деталях уплотнительных соединений на их герметичность: Автореф. дисс. . канд. техн. наук: 01.02.06. Львов: ЛПИ, 1983. -21с.

55. Патент России на полезную модель №73094 «Регулятор давления» / Б.Г. Иванов, A.B. Ковтунов, О.П. Мулюкин, С.А. Финогенов // Б.И. №13. -2008.

56. Патент России на полезную модель №82882 «Регулятор давления» / О.П. Мулюкин, A.B. Ковтунов, O.E. Лаврусь, С.А. Финогенов // Б.И. №13. -2009.

57. ПБ 03-576-03. Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением (Утверждены Постановлением Госгор-технадзора РФ от 11 июня 2003г. № 91).

58. Пневмогидравлические системы двигательных установок с жидкостными реактивными двигателями: Монография Текст. / Под ред. В.Н.Челомея. -М.: Машиностроение, 1978. 140с.: ил.

59. Пневмогидравлические системы. Расчет и проектирование: \ Учеб.пособие для технических ВУЗов Текст. / Под ред. Н.М.Беляева. — М.:

60. Высшая школа, 1988. 271с.: ил.

61. Погорелов В.И. Газодинамические расчеты пневматических проводов: Монография Текст. / В.И.Погорелов. — М.: Машиностроение, 1971. — 237с.: ил.

62. Проблемы надежности и ресурса в машиностроении: Монография Текст. / Под ред. К.В.Фролова, А.П.Гусенкова. М.: Наука, 1986. -247с.: ил.

63. Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением Текст. -М.: Металлургия, 1976. 104с.: ил.

64. Работнов Ю.Н. Ползучесть элементов конструкций: Монография Текст. / Ю.Н.Работнов. М.: Наука, 1966. - 751с.: ил.

65. Райе Дж. Не зависящий от пути интеграл и приближенный анализ концентрации деформаций у вырезов и трещин Текст. // Тр. амер. общества инженеров-механиков. Сер. Е., 1968. - Т.35. - № 4. - С. 340 -350.

66. Ратманский О.Н. Арматура реактивных систем управления космических летательных аппаратов: Монография Текст. / О.И.Ратманский, И.Р.Кричкер. -М.: Машиностроение, 1980. 136с.: ил.

67. Романенко Н.Т. Криогенная арматура: Монография Текст. / Н.Т.Романенко, Ю.Ф.Куликов. -М.: Машиностроение, 1978. 110с.: ил.

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

69. Тарасов Ю.Л. Надежность элементов конструкций летательных аппаратов: Методология обеспечения: Монография Текст. / Ю.Л.Тарасов., Э.И.Миноранский, В.М.Дуплякин. М.: Машиностроение, 1989. — 263с.: ил.

70. Уплотнения и уплотнительная техника: Справочник Текст. / Под общ. ред. А.И.Голубова, Л.А.Кондакова. — М.: Машиностроение, 1986. — 464с.: ил.

71. Чегодаев Д.Е. Гидропневмотопливные агрегаты и их надежность: Монография Текст. / Д.Е.Чегодаев, О.П.Мулюкин. — Куйбышев: Кн. изд-во, 1990.- 104с.: ил.

72. Чегодаев Д.Е. Новые конструкции регуляторов прямого действия с элементами капиллярной структуры Текст. / Д.Е.Чегодаев, О.П.Мулюкин, Е.П.Жильников // Химическое и нефтяное машиностроение. 1992. - № 8. — С.12- 13.

73. Чегодаев Д.Е. Элементы клапанных устройств авиационных агрегатов и их надежность: Учебное пособие Текст. / Д.Е.Чегодаев, О.П.Мулюкин. М.: Изд-во МАИ, 1994. - 208с.: ил.

74. Чегодаев Д.Е. Управляемая виброизоляция (конструктивные варианты и эффективность): Монография Текст. / Д.Е.Чегодаев, Ю.В.Шатилов. Самара. - СГАУ, 1995. - 143с.: ил.

75. Чегодаев Д.Е. Демпфирование: Монография Текст. / Д.Е.Чегодаев, Ю.К.Пономарев. Самара: СГАУ, 1997. - 334с.: ил.

76. Финогенов С.А. Методика расчета исполнительного механизма Текст. / С.А. Финогенов, A.B. Ковтунов // Дни студенческой науки: Сборник материалов 34 научной конференции студентов и аспирантов. Самара: СамГАПС, 2007. - с. 36-37.

77. Финогенов С.А. Конструктивные усовершенствования рычажных механизмов роторных подвесок Текст. / С.А. Финогенов, A.B. Ковтунов // Дни студенческой науки: Сборник материалов 34 научной конференции студентов и аспирантов. Самара: СамГАПС, 2007. - С. 37.

78. Шадур J1.A. Вагоны: Учебник для ВУЗов ж.-д. транспорта Текст. / Л.А.Шадур, И.Л.Челноков, Л.Н.Никольский и др.; Под ред. Л.А.Шадура 3-е изд. перераб. и доп. — М.: Транспорт, 1980. — 439с: ил.

79. Шевяков A.A. Автоматика авиационных и ракетных силовых установок: Монография Текст. / А.А.Шевяков. — М.: Машиностроение, 1970. — 660с.: ил.

80. Шестаков Г.В. Разработка методов автоматизированного проектирования гасителей колебаний давления для трубопроводных цепей двигателей и систем летательных.аппаратов: Дисс. . канд. техн. наук: 05.07.05. — Самара: СГАУ, 1991. 233с.

81. Шпаков О.Н. Исследование червячного электропривода с учетом работы предохранительных устройств применительно к трубопроводной арматуре: Автореф. дисс. . канд. техн. наук: 05.02.03. — Харьков, 1977. — 23с.

82. Эдельман А.И. Топливные клапаны жидкостных ракетных двигателей: Монография Текст. / А.И.Эдельман. — М.: Машиностроение, 1970. — 244с.: ил.