СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
ОБОЗНАЧЕНИЯ............................................... 4
ИНДЕКСЫ................................................... 6
СОКРАЩЕНИЯ................................................ 7
ВВЕДЕНИЕ.................................................. 8
1. СОСТОЯНИЕ, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ, СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ОБЕСПЕЧЕНИЯ СТАБИЛЬНОСТИ ВЫХОДНЫХ ПАРАМЕТРОВ АВТОМАТИЧЕСКИХ ПРУЖИННЫХ КЛАПАНОВ ПРИ ВНЕШНЕМ НАГРУЖЕНИИ................................... 13
1.1. Классификация, области применения и особенности выбора типа автоматического клапана ПГС транспортного средства..... 13
1.2. Анализ состояния исследований по обеспечению стабильности выходных параметров агрегатов автоматики в условиях внешнего нагружения при выработке гарантированного ресурса в составе ПГС объектов........................................... 27
1.2.1. Жесткое соединение агрегата автоматики с виброактивным основанием объекта (внутренняя защита агрегата)......28
1.2.2. Соединение агрегата автоматики с виброактивным основанием транспортного средства через упругодемпфирующую подвеску (внешняя защита агрегата).................. 33
1.2.3.Тенденции развития и перспективы повышения устойчивости, показателей надежности и технического уровня агрегатов защиты и предохранения ПГС транспортной техники..... 37
1.3.Определение цели и постановка задач исследования, научная новизна и практическая ценность работы............... 40
2. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРУЖИННЫХ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫХ КЛАПАНОВ С УЧЕТОМ ВНЕШНЕГО НАГРУЖЕНИЯ..................................44
2.1. Общие сведения о подходах и допущениях в математических моделях пружинных предохранительных клапанов........44
2.2. Математическая модель пружинного предохранительного клапана
с сильфонным чувствительным органом..................54
2.3. Моделирование процессов в защищаемых ПГС с двухпозиционным предохранительным клапаном..................... 65
2.4. Выводы.............................................86
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДЕКОНСТРУКТИВНЫХ ФАКТОРОВ НА ВЫХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПРУЖИННЫХ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫХ КЛАПАНОВ..................................................89
3.1. Оценка изменения давления открытия подпружиненной клапанно-седельной пары при внешнем вибронагружении.....................89
3
3.2. Оценка ресурса клапанного уплотнителя пружинного предохранительного устройства при варьировании скоростью посадки клапана на седло.....................................99
3.3. Оценка работоспособности клапанного уплотнения клапанного имитатора при внешнем ударном нагружении..........110
3.4 Выводы.............................................117
4. СИСТЕМАТИЗАЦИЯ, УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ И СРЕДСТВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ
ДИНАМИЧЕСКОГО КАЧЕСТВА ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНЫХ
КЛАПАННЫХ УСТРОЙСТВ И ПРИМЕРЫ ИХ
КОНСТРУКТОРСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ............................. 119
4.1. Роль конструктивного анализа и классификаторов клапанных агрегатов в повышении качества и сокращении сроков проектирования высокоэффективных конструкций............. 120
4.2. Совершенствование известных и разработка новых способов и средств обеспечения динамического качества пружинных клапанных агрегатов при срабатывании................ 140
4.3. Разработка клапанных агрегатов с заданным динамическим качеством переходных процессов с использованием........ 160
4.4. Выводы............................................171
ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................... 174
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................ 181
ПРИЛОЖЕНИЕ Диагностические системы и устройства коррекции диагностических параметров ПК на рабочем ходе клапанно-седельной пары....................................194
I*
4
ОБОЗНАЧЕНИЯ
Р- площадь, м
* V- объем, м3
/-длина (ширина или толщина), м М- масса, кг
Т- абсолютная температура среды, К
0 2 - объемный, м3/с, и массовый, кг/с, расход среды
Ж7- перетечки рабочей среды через УС, м3/с
р - давление, МПа
Ар - перепад давления на НО, МПа
у - удельный вес, 14/м3
р - плотность, кг/м3
Д> Дг- универсальная газовая постоянная, Дж/(моль-К)
Яе - число Рейнольдса
с, Ср, с,-удельная теплоемкость вещества, газа при постоянном давлении и газа при постоянном объеме, Дж/(кг*К)
!е- удельная энтальпия рабочей среды, Дж/кг п - показатель политропного процесса к - показатель адиабатического процесса со - круговая частота, рад/с
Д. - условный проходной диаметр рабочего тракта, мм //- рабочий ход НО, м
/- площадь проходного сечения дросселирующего устройства, м2; частота колебания элемента системы, Гц т - приведенная масса золотника в момент соударения с седлом, кг /, г - время (быстродействие ИО), с
• х, ху х - координата (перемещение),м; скорость, м/с; ускорение, м/с2
а- коэффициент расхода
(р - коэффициент подъемной силы ^)г-угол трения
а - коэффициент теплообмена, Вт/(м2 К)
аг - половина угла при вершине конуса золотника,...°
^ -коэффициент гидравлического сопротивления тракта; относительная деформация уплотнителя в зоне контакта золотника с седлом Я - гидросопротивление, МПа рт- коэффициент трения скольжения Рв.т. - динамическая вязкость, Па-с Сди».— динамическая реакция газового слоя ДУ 1]=си/соо- безразмерная частота действия возмущающей силы Г/, Г? - постоянная времени СРД Р - усилие привода, управляющая сила, Н Ри- сила инерции (инерционная нагрузка), Н Рт - усилие предварительного сжатия (затяжки) пружины, Н
с„р. - жесткость пружины, Н
5
Ргр, - сила сухого трения, Н Рв.т- сила вязкого трения, Н £ - коэффициент учета расширения рабочего тела Р,д - газодинамическая сила, Н
N0 - нормальная составляющая усилия натяга между уплотнением и хвостовиком тарели клапана, Н кя - коэффициент динамичности ИО при срабатывании клапанно-седельной пары q - погонная нагрузка (давление по контуру) в зоне ФПК элементов КУ, Н/м Яуд - удельное давление герметизации в зоне ФПК элементов КУ, МПа £„ Ер £*, £д - текущая, потенциальная, кинетическая энергия и энергия диссипации, Дж о - механическое напряжение, МПа ов - предел прочности, МПа от - предел текучести, МПа ан - ударная вязкость, Дж/м2 £- модуль Юнга (модуль упругости), ГПа у - коэффициент Пуассона 5 - деформация, м УР(Е) - передаточная функция g- ускорение свободного падения, м/с2 л-3,1415...
А - символ превращения
- оператор дифференцирования - - символ изображения по Лапласу
«*
ИНДЕКСЫ
О - исходное положение или положение ИО, при котором значение искомого параметра равно нулю 1,2- соответственно, вход и выход проходного тракта п - поршень с - седло
ст-стенка корпуса
к - клапан
пр. - пружина
упл. - уплотнение
* - безразмерный параметр
7
СОКРАЩЕНИЯ
АЧХ - амплитудно-частотная характеристика
ВВФ - внешние воздействующие факторы
ВВВ - внешнее возмущающее воздействие
ГПТА - гидропневмотопливный агрегат
ГТД - газотурбинный двигатель
ДСТ - демпфер сухого трения
ДЛА - двигатель летательных аппаратов
ДПК - двухпозиционный предохранительный клапан
ДКА - демпфер клапанного агрегата
ДУ - демпфирующее устройство
ИО - исполнительный орган
КРУ - клапанное регулирующее устройство
КА - клапанный агрегат
КУ - клапанное уплотнение
ЛА - летательный аппарат
МЕРЕТРАНС - металлическая резина транспортных систем МР - металлический аналог резины или «Металлорезина»
ОКБ - опытное конструкторское бюро
ОКП - основные классификационные признаки
ОрслГТУ - Орловский государственный технический университет
ПГС - пневмогидросистема
ППП - пакет прикладных программ
ППР - планово-предупредительный ремонт
ПК - предохранительный клапан
Г1ПК - пропорциональный предохранительный клапан
СамГАПС - Самарская государственная академия путей сообщения
САПР - система автоматизированного проектирования
СГАУ - Самарский государственный аэрокосмический университет
СПГ - сниженный природный газ
СРД - система релаксационного демпфирования
СР - стабилизатор расхода
СФД - система функциональной диагностики
ТЗ - техническое задание
УС - уплотнительное соединение
УДЭ -упругодемпфирующий элемент
УТР - установившийся технический режим в ПГС
УФХ - упругофрикционная характеристика
ФПК - фактическая площадь касания
ЭУ - энергетическая установка
ЭПК - электропневмоклапан
ВВЕДЕНИЕ
Современный этап развития транспортной техники характеризуется неуклонным повышением требований к ее эксплуатационной безопасности (надежности и ресурса) при одновременном росте тактико-технических параметров и жестком лимитировании массо-габаритных характеристик клапанных автоматических устройств пневмогидросистем энергетических установок.
Роль агрегатов автоматики, к которым относятся аппаратура защиты и предохранения пневмогидросистем транспортных средств от избыточного давления в питающих трактах (резервуарах и сосудах под давлением) в обеспечении общей надежности работы энергетических установок трудно переоценить. Причем обеспечение стабильности выходных параметров агрегатов автоматики ПГС в условиях применения в транспортных системах нетрадиционных высококалорийных топлив, прежде всего криогенных (жидкий водород, сжиженный природный газ) и «всепогодных» синтетических жидкостей и масел с повышенными агрессивными и токсичными свойствами при жестких экологических требованиях к работе энергоустановок переходит в разряд актуальных задач клапанного агрегатостроения и должно базироваться на кардинальных исследованиях влияния вибрационного и ударного нагружения на работоспособность агрегатов и разработке научно обоснованных рекомендаций по их созданию.
В силу объективных причин (отсутствие автономного привода, компенсирующего существенное влияние газодинамической силы на скорость движения золотника при прямом и обратном ходе, особенности течения рабочей среды при перекрытии расходной магистрали и гистерезис упругодемпфирующих элементов, обуславливающих изменение величины давления обратной посадки золотника на седло) формирование требуемого качества переходного процесса в самодействующем пружинном предохранительном клапане сопряжено со значительными трудностями. Указанные трудности возрастают при значительных скоростях соударения уплотнительных поверхностей клапанных уплотнений, работе с трением и нерегламентируемьтми усилиями в условиях воздействия знакопеременного контактного давления, эрозии, коррозии, термоциклов, вибра-
ционных, включая транспортные, нафузок и других ВВФ, влияющих на стабильность выходных параметров клапанных афегатов автоматики.
Опьгг эксплуатации такого типа устройств, включая предохранительные клапаны с импульсным управлением, показывает, что формирование требуемого качества переходного процесса предохранительного клапана требует решения ряда проблем:
1. В ряде случаев, включая внештатные или аварийные ситуации в обслуживаемой пневмогидросистсме, срабатывание золотника (клапана) сопровождается его колебаниями с определенной частотой. Это провоцирует возникновение колебаний рабочей среды и нестабильность ее расхода через клапанно-седельную пару.
2. Вибронафужсние предохранительных клапанов переносным ускорением со стороны мест крепления его корпуса с виброактивным основанием объекта при его транспортировке существенно (по известным литературным источникам до 5%) снижает настроечное значение величины давления открытия золотника рабочей средой. Это обуславливает рост непроизводительных утечек через клапанно-седельные пары, что помимо экономической создает также и экологическую проблему при стравливании из железнодорожных резервуаров и сосудов с криогенными или токсичными рабочими средами избыточного давления в окружающую среду.
3. Наличие колебаний значительных масс упругоподвешенных частей клапанного устройства приводит к возникновению больших ударных нагрузок при посадке золотника на седло и многократным отскокам золотника от седла, частота которых определяется частотой колебаний золотника. При этом совершенно очевидно, что ресурс предохранительного клапана, определяемый гарантийным числом циклом срабатывания до выхода из строя его наиболее динамически нафуженного элемента - клапанного уплотнения, сильфонного чувствительного элемента, уплотнений и пар трения подвижных элементов, включая элементы встроенной сигнализации и контроля параметров клапана, вырабатывается в течении короткого промежутка времени. Это, в свою очередь
приводит к явлениям параметрического либо катастрофического отказов и делает невозможной безопасную эксплуатацию системы.
Качество решения указанных основополагающих проблем на стадии эскизного проектирования пневмогидросистемы объекта в целом с учетом конструктивного исполнения входящих в нее предохранительных клапанов определяет, в конечном счете, эксплуатационную надежность создаваемой конструкции, т.е. стабильность ее выходных параметров (степень герметичности, величину давления открытия и ресурс клапанно- седельной пары).
Настоящая работа является результатом исследования различных конструкций клапанных агрегатов автоматики с разработкой методик расчета их выходных параметров в условиях комбинирования вибрационных и ударных нагрузок. Значительное место в работе отведено анализу эффективности применяемых в промышленности конструкторско-технологических и эксплуатационных приемов стабилизации выходных параметров агрегатов автоматики и созданию новых способов и устройств достижения требуемых величин выходных параметров. В работе также отражены вопросы конструирования высоконадежных оригинальных агрегатов автоматики на базе целенаправленного изменения параметров переходных процессов на рабочем ходе исполнительного органа.
В первой главе на основе критического анализа российской и зарубежной научной научно-технической литературы и патентной документации, а также разработанных при участии автора оригинальных конструкций автоматических клапанов охарактеризовано состояние исследований по обеспечению стабильности их выходных параметров при выработке гарантийного ресурса в составе ПГС объектов и при автономных исследованиях работоспособности агрегатов на предприятии-изготовителе. В анализе четко разграничены особенности стабилизации выходных параметров как за счет регулирования качества переходных процессов собственно в агрегате до установки в ПГС транспортного средства, так и путем целенаправленного снижения воспринимаемых а1регатом механических воздействий от объекта за счет введения упругодемнфирующих проставок в месте крепления агрегата с силовой рамой транспортного средства.
На основе проведенного обзора сформированы цель и задачи исследований.
Вторая глава освещает вопросы аналитического исследования работоспособности агрегатов автоматики при вибрационном и ударном нагружении. Разработаны математические модели пропорционального и двухпозиционного предохранительного клапанов с учетом продольных вибраций. Охарактеризованы особенности моделирования переходных процессов в агрегатах автоматики с упругодемпфирующими элементами переменной структуры для получения заданных выходных параметров.
Третья глава посвящена вопросам экспериментального исследования вибро-нагруженных предохранительных клапанов. Представлены результаты исследования влияния конструктивных факторов и параметров вибронагружения на выходных параметры ППК и ДПК. Охарактеризованы стендовое оборудование и контрольно-измерительная аппаратура, используемые при проведении экспериментов.
В четвертой главе охарактеризованы вопросы систематизации, усовершенствования и разработки способов и средств обеспечения динамического качества клапанных агрегатов и примеры их конструкторской реализации. Оценена стабильность выходных параметров как для агрегатов с встроенными демпферами различной физической природы, так и при соединении агрегатов с силовой рамой двигателя при помощи упруго демпфирующей подвески (демпферы и виброизоляторы на основе пар трения, тросов, пластин, лент и элементов из исскуственных упругопористых материалов типа МР и «МЕРЕТРАНС»).
В приложении охарактеризованы некоторые вопросы использования динамических систем и устройств коррекции динамических параметров ПК на рабочем ходе клапанно-седельной пары (универсальный метод проверки системы по форме диагностики «годен - не годен»; метод функциональной диагностики технического состояния трибомеханических узлов по параметрам частиц износа; виброакустическая диагностика; методы лазерной диагностики; системы функциональной диагностики - реализованной автором в виде конструктивного решения ПК с автоматической сменой клапанного уплотнения после выработки гарантийного ресурса на новое из блока запасных частей).
Заключение, отражающее наиболее значимые результаты, полученные в процессе исследований, показывает выявленные закономерности и особенности работы объектов исследования.
Работа выполнена в НИЛ «Динамическая прочность и виброзащита транспортных систем» СамГАПС в соответствии с координационными планами федеральных и отраслевых программ Федерального агентства по железнодорожному транспорту МПС РФ: «Государственная программа по повышению безопасности движения поездов на железнодорожном транспорте России на период 1993-2000 годы» (Постановление Правительства РФ от 29.10.92 №833), отраслевой «Программы энергосбережения на железнодорожном транспорте в 1998-2000, 2005 годах» (Постановление Правительства РФ от 04.07.98 №>262 пр-у) и «Программы создания нового поколения грузового подвижного состава на 2000-2005годы (Постановление Коллегии МПС РФ от 24-25 декабря 1999г. №>23).
Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю, доктору технических наук, профессору Мулюкину О.П. за ценные указания но обобщению аналитических и экспериментальных исследования, определению областей приложения полученных результатов и методическую помощь в проведении исследований и профессору кафедры «Прикладная механика» Орловского государственного технического университета, доктору технических наук, профессору Савину Л.А. за полезные советы, высказанные им на всех стадиях выполнения работы, включая математическое моделирование переходных процессов в пружинных предохранительных клапанах.
1. СОСТОЯНИЕ, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ, СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ОБЕСПЕЧЕНИЯ СТАБИЛЬНОСТИ ВЫХОДНЫХ ПАРАМЕТРОВ АВТОМАТИЧЕСКИХ ПРУЖИННЫХ КЛАПАНОВ ПРИ ВНЕШНЕМ НАГРУЖЕНИИ
1.1. Классификация, области применения и особенности выбора типа автоматического клапана ПГС транспортного средства
Основные области применения и особенности выбора типа автоматического клапана для ПГС транспорта (рисунки 1.1, 1.2, 1.3) исследованы в работах/16, 43, 118/.
ПК прямого действия классифицируют по следующим основным признакам: по характеру перемещения замыкающего (рабочего) органа и высоте его подъема, по виду демпфирования рабочего органа, по виду чувствительного элемента, по направлению воздействия давления на рабочий орган, по виду (способу создания) управляющей нагрузки, а в ряде случаев - по виду сообщения выходной полости клапана с окружающей средой.
По направлению воздействия рабочего давления на замыкающий орган клапана ПК подразделяются на клапаны с подачей давления под золотник (рисунок 1.2,а) и клапаны с подачей на золотник (рисунок 1.2,6).
В ПК с подачей давления под золотник (замыкающий орган) последний выполняет роль чувствительного элемента. К таким клапанам относятся и дифференциальные предохранительные клапаны (рисунок 2.7,6), у которых замыкающим и чувствительным элементом служит дифференциальный поршень, позволяющий снизить величину управляющей нагрузки за счет введения разгрузочной площадки, равной тД\1А. Такие ПК обычно используют в гидросистемах с большим усилием открытия, преодолеть которое позволяет дифференциальный поршень.
Известны конструкции ПК (рисунок 1.2,6), у которых замыкающим и чувствительным органом служит дифференциальный двусторонний затвор в виде двух жестко соединенных тарелей, одна из которых диаметром Д\ давлением среды отжимается от седла, а другая диаметром^ поджимается к соответствующему седлу.
#
14
Лгр*г«?ы м гумцофМниа ПГС
1------------------------------
«С*
По ящмкхщру
робоито оргтш
Л
Г ПеГо^г
| р*6ото орг,
»"Ц"
1И* ‘ 1
[
По
роСочого оргм
Ггъ
I 1 Домгфор^ сутюго п>ои^Г]
| ] —■
I [ Гюо—» а-»л0»рм
з [
«Мф«ры
I I
гл.:
По роду работы
I!
! С
Ут
*1
I
к*
I П Пр^ого ^^
! Г По мгршмм К««<» I По »«V 1Т—В1М11 "1
J ^ »шг*,.т и« рабочий орг«» I | *~рпт |
I К4Пр^осо щйсша
1 I р—*"
3 !
МС1
|С
! С
I
1_
т нрэдпц»
С пр^олом 1 -•груш» | I с фи*о*хм 1 | Г~*Г,тш 1
[ | С ПСАМИ ДНП»ИМ ПОД >000^1 I С отбором тшрпш* мстомаом
1 | С поСадлом ] ; рв®ОАв Ср>ЯМ щаяштш
— — —. — —. —_ — и 1«__ — 4— _ I — —
П
«ячггро». МрП1
"П
3!
ш
I
J
п
По
'*/%СТ9
Тарньнотъщ |
Пораммм
! с
По -щ,
I [
Л**
з [
] 1 • 1 "Ппршнм^ | [ С тууЬ«* I £
Турбо>»Ч{Лй- | [
»бра
-1 I I
Мой»
I
I
И
По
Г^уаммого | »«а
I Г\>|ТНМОЮГО тчш < ммктором |
1*00
!С
По
ГГ*
О
I С гоосооЯ ЖЛм*ЩХ>* |
н
Рисунок 1.1 - Классификация агрегатов защиты и предохранения ПГС
15
Рисунок 1.2 - Принципиально-конструктивные схемы предохранительных клапанов прямого действия: а - клапан с подачей давления под замыкающий орган (золотник); б - клапан с дифференциальным поршнем; в - клапан с дифференциальным двусторонним затвором; г - клапан с рычажно-шарнирной подвеской двустороннего затвора; д - клапан с подачей давления на замыкающий орган (золотник); с - клапан с подвижным седлом; ж -клапан с тарельчатым или плоским чувствительным элементом (тарель клапана); з - клапан со сферическим чувствительным элементом (шариковый клапан)
т
Окончание рисунка 1.2.
и - клапан с мембранним чувствительным элементом; к - клапан с коническим чувствительным элементом; л - магнитно-пружинный клапан на базе постоянных магнитов; м -магнитно-пружинный клапан на базе электромагнита; н - клапан пружинный с эжекторным устройством; о - рычажно-пружинный клапан; п - клапан с сильфонным чувствительным элементом; р, с - клапаны с газовой камерой; т - блочно-тросовый клапан
По аналогии с конструкцией на рисунке 1.2,в это позволяет также снизить величину нагрузки за счет введения разгрузочной площадки, равной тД\!4, гдеД2 - диаметр седла меньшей площади (Д2<Ді).
К ПК рассмотренного выше типа относится и конструкция клапана с двухсторонним затвором в виде двух шарнирно подвешенных тарелей разного диаметра на рычаге, имеющем ось вращения (рисунок 1.2,г). В конструкции на рисунке 1.2,г используется двухсторонняя муфта в виде резьбового соединения с левой и правой резьбами на окончаниях втулок, что с одной стороны обеспечивает возможность достижения одновременной посадки тарелей клапана на соответствующие седла, а с другой - обеспечивает регулировку длин плеч рычага для получения требуемого давления настройки ПК.
Обеспечение требования одновременности посадки тарелей клапана на соответствующие седла в конструкции на рисунке 1.2,г достигается при помощи регулировочного винта, связанного жестко с осью вращения рычага.
Разновидностью ПК с дифференциальным поршнем (рисунок 1.2,6) является клапан с подвижным седлом, которое перемещается совместно с чувствительным элементом в виде упругой металлической мембраны (рисунок
1.2,е). Под действием давления чувствительный элемент перемещается вместе с седлом и прижимаемым к нему давлением среды золотником до тех пор, пока золотник не достигнет регулировочного стержня. После чего мембрана с седлом, перемещаясь далее под действием возрастающего давления, обеспечит открытие клапана.
Предохранительные клапаны прямого действия по виду чувствительного элемента подразделяются на тарельчатые или плоские (рисунок 1.2,ж), сферические (рисунок 1.2,з) и конические (рисунок 1.2,к) клапаны.
В ряде случаев с целью упрощения конструкции плоские и конические клапаны выполняют без центрирования чувствительного элемента в корпусе по аналогии с конструкцией сферического клапана с упруго подвешенным клапаном (рисунок 1.2,з). Такие клапаны при значительных расходах и давлениях имеют большие габариты и усилия пружины, работают с высоким