СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ........................................................4
1 ОБЗОР НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ПНЕВМОКЛАПАНОВ РАКЕТОНОСИТЕЛЕЙ..............................12
1.1 Обзор проблемы прочности и надежности срабатывания пневмоклапанов ракетоносителей....................................12
1.2 Проблемы и методы реализации технических характеристик при создании криогенных пневмоклапанов ракетоносителей................20
1.2.1 Условия эксплуатации и основные требования, предъявляемые
к агрегатам ПГС...................................................21
1.2.2 Критерии эффективности разработки а1регатов ПГС
ракетоносителей..................................................24
1.2.3 Принципиальные схемы и формы криогенных топливных пневмоклапанов....................................................26
1.2.4 Применяемые материалы.......................................32
1.2.5 Затворы криогенных топливных пневмоклапанов.................36
1.2.6 Условия нагружения, коэффициенты безопасности и расчеты на прочность при проектировании......................................44
1.2.7 Динамические процессы при срабатываниях и их влияние на прочность и надежность............................................49
1.2.8 Проблема обеспечения надежности и прочности и ее решение при создании криогенных топливных клапанов............................51
1.2.9 Программа обеспечения надежности афегатов в процессе их создания, производства и эксплуатации.............................54
1.2.10 Выводы по главе 1..........................................56
1.2.11 Постановка задач исследований..............................57
2 ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ ПРИ
СРАБАТЫВАНИИ МЕТОДАМИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО
МОДЕЛИРОВАНИЯ....................................................58
2.1 Постановка задачи.............................................58
2
2.2 Основные зависимости между параметрами исследуемой механической системы при динамическом нагружении.....................60
2.3 Метод конечных элементов динамики механизмов и приводов и особенности его применения в расчетах динамического нагружения при срабатывании на этапе проектирования пневмоклапанов..................71
2.4 Обоснование допущений и принятие условий для упрощения математической модели в расчетах динамического нагружения при
срабат ывани и.......................................................76
2.5 Выводы по главе 2................................................80
3 ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ И КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНЫХ МОДЕЛЕЙ ДИНАМИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ ПРИ СРАБАТЫВАНИИ ПНЕВМОКЛАПАНОВ..........................................81
3.1 Постановка задачи................................................81
3.2 Теоретические основы термодинамических процессов в пневматической системе топливного пневмоклапана......................83
3.2.1 Особенности расчета пневмоприводов.............................83
3.2.2 Истечение газа из неограниченного объема.......................86
3.2.3 Истечение газа из ограниченного объема.........................88
3.2.4 Наполнение газом постоянного объема............................89
3.3 Определение начальных условий при решении задач динамического нагружения пневмоклапанов............................................90
3.4 Определение зависимости по времени силы гидравлической среды на тарель пневмоклапана.................................................95
3.5 Определение зависимостей по времени силы управляющего давления
и давления в выхлопной полости на пневмопривод......................100
3.6 Выводы по главе 3...............................................102
4 ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДОПУСКАЕМОГО УРОВНЯ НАГРУЖЕНИЯ ПРИ СРАБАТЫВАНИИ.........................................104
4.1 Постановка задачи...............................................104
4.2 Допускаемая нагрузка при динамическом нагружении от
3
срабатывания топливного пневмоклапана..........................105
4.3 Условие установившегося движения пневмопривода.............108
4.4 Разработка критериев и условий обеспечения допускаемого уровня динамического нагружения.......................................115
4.5 Выводы по главе 4..........................................132
5 АНАЛИЗ И СРАВНЕНИЕ РАСЧЕТНЫХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ ПНЕВМОКЛАПАНОВ ЦЕНТРАЛЬНОГО БЛОКА РАКЕТОНОСИТЕЛЯ «ЭНЕРГИЯ».................................134
5.1 Постановка задачи..........................................134
5.2 Краткая характеристика конструкций криогенных топливных пневмоклапанов окислительной системы центрального блока ракетоносителя “Энергия”.......................................136
5.3 Результаты расчета статической прочности и ее отработки при проведении испытаний...........................................138
5.4 Результаты расчета параметров и их замеров при испытаниях пневмоклапанов.................................................141
5.5 Динамическое нагружение. Расчеты при проектировании’и
результаты испытаний...........................................144
5.5:1 Отсечной пневмоклапан. Закрытие..........................145
5.5.2 ГІневмоклапан циркуляции. Закрытие.......................149
5.6 Количественная оценка- надежности по результатам наземных испытаний......................................................152
5.7 Выводы по главе 5..........................................157
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ......................................158
ЛИТЕРАТУРА......................................................160
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. РЕЗУЛЬТАТЫ ДИНАМИЧЕСКОГО РАСЧЕТА
СРАБАТЫВАНИЯ ПНЕВМОКЛАПАНОВ.....................................167
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА ДИНАМИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ ПНЕВМОКЛАПАНОВ.......................................172
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНИЧЕСКИЕ
4
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПНЕВМОКЛАПАНОВ ОКИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ PH «ЭНЕРГИЯ»..................................178
5
ВВЕДЕНИЕ
Данная работа посвящена исследованию динамических процессов нагружения 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 пневмок-
I •
лапанов для центрального блока ракетно-космической системы «Энергия». Под руководством Главного конструктора Пензина Б.Г., а затем Петренко С.Л. коллектив конструкторского бюро разработал конструкторскую документа-‘ цию, 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 адеегатов, 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.
6
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 вцелом.
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 нагружения 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 огработки 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.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ:
в рецензируемых журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией Министерства образования и науки Российской Федерации:
1. Сазанов, В.П. Расчеты динамического нагружения' в задачах обеспечения прочности и надежности функционирования топливных пневмоклапанов сверхтяжелого ракетоносителя. / В.П. Сазанов // Вестник СамГТУ. Технические 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,
A.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 - РК 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 - РК 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. — РК техника. /
B.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» — РК 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 авиационноракетного комплекса космического назначения - РК техника. / В.Г1. 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
10
модели механики, прочности и надежности элементов конструкций - Самара: СамГТУ, 2010. - С. 305-308.
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.;
2. Заседаниях научно-технического совета ЗАО ВКБ РКК «Энергия», Самара, 2003-2010 г.г.;
3. Заседаниях кафедры прочности летательных аппаратов государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика C.II. Королёва (национальный исследовательский университет)», 2003- 2010 г.г..
11
1 ОБЗОР НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ПО ПРОЕКТИРОВАН ИГО ППЕВМОКЛАПАНОВ РАКЕТОНОСИТЕЛЕЙ
1.1 Обзор проблемы прочности и надежности срабатывания пневмоклапанов ракетоносителей
ГІневмогидравлические системы (ПГС) нашли широкое применение в ракетно-космической технике, так как они надежно работают в условиях больших полетных наїрузок, вибраций, резких изменений температуры, повышенной радиации и электромагнитного« излучения. Они относительно несложны, компактны и удобны. Отличительной особенностью большинства-агрегатов автоматики ракет и космических летательных аппаратов является небольшая масса, герметичность, быстродействие, точность работы.и, что наиболее важно, высокая надежность в сложных условиях полета.
В настоящее время накоплен обширный теоретический и экспериментальный материал по методам расчета, конструированию и разработке агрегатов пневмоавтоматики, который достаточно широко представлен в отечественной и зарубежной-научно-технической литературе. Данные работы в основном рассматривают следующие вопросы и проблемы:
- общие вопросы проектирования агрегатов ПГС ракетоносителей;
- теоретические основы и методики расчета основных характеристик и параметров клапанов;
- конструктивное исполнение узлов.и агрегатов в целом;
- наземная отработка;
- технология производства;
- эксплуатация и ремонт;
- надежность.
Проектирование криогенных топливных пневмоклапанов является достаточно узким вопросом создания элементов автоматики ПГС ракетоносителей, но вместе с тем его многие проблемы аналогичны как проектированию агрега-
12
тов для наземных криогенных систем, так и их проектированию для летательных аппаратов с двигательными установками на «теплых» компонентах.
Наиболее актуальные вопросы проектирования агрегатов для ракетно-космических систем рассматривались в работах Бугаенко В.Ф. |9], Ратманского
О.И. [33], Романенко Н.Т. [34,35], Эдельмана Л.И. [44], Чегодаева Д.Е. [43] и ряда других авторов. Проектированию криогенной топливной арматуры для ракетоносителей посвящены работы Романенко Н.Т. [35], Филина Н.И. [42], а для криогенных наземных агрегатов работы Архарова А.М' [2,3].
Криогенные топливные агрегаты ракетоносителей как правило выполняются в основном по схеме с пневматическим приводом и концентрической та-релью. Необходимость создания высокого удельного давления в элементах уплотнения затвора, которое в несколько раз превышает требуемое значение при нормальных температурах, наличие больших перемещающихся масс ставят проблему динамики на этапе проектирования в разряд-актуальных. Если не решать данный вопрос на этапе проектирования^ то его переход на этап автономной наземной отработки, как показывает практика, может потребовать весьма значительных затрат на доработку, а самое главное - потери по времени и отставание от общего графика создания ракетоносителя. Для отказов, причиной, которых является чрезмерное нагружение от срабатывания исполнительного органа, характерны поломки и пластические деформации деталей конструкции, разрушение уплотнительных устройств, задиры- и заедания в кинематических парах скольжения. Такие агрегаты или полностью выходят из строя или требуют трудоемкого ремонта. Как. известно, затраты по созданию агрегатов.на каждом последующем этапе на порядок и более превышают предыдущий, поэтому и цена правильно выбранных параметров и конструктивных решений при проектировании имеет огромное значение в первую очередь с экономической точки зрения.
Решение проблемы динамики срабатывания.топливных пневмоклапанов на этапе проектирования следует рассматривать в виде комплексного решения двух взаимосвязанных задач:
13
- выбор параметров систем с целью обеспечения требуемого времени срабатывания;
- выбор параметров систем с целью обеспечения прочности конструкции, гарантированного ресурса и надежности.
При математическом моделировании динамических процессов в топливных пневмоклапанах, в общем случае, необходимо совместное рассмотрение механической, пневматической и гидравлической систем клапана. Известно, что решение задач, где стыкуются объекты различной физической природы затруднено или вообще не может быть получено даже современными средствами, если пользоваться точными уравнениями каждого элемента в отдельности. Значительное упрощение при математическом моделировании достигается путем рассмотрения-динамики клапана, разделив процесс движения подвижной части на определенные этапы. Циклограмма срабатывания топливного пневмоклапана приведена на рис. 1.1.
т3 - время задержки; тс - время срабатывания;
XV - суммарное время срабатывания; тк - время динамического нагружения. Рисунок 1.1 - Циклограмма срабатывания пневмоклапана
14
Этап I представляет собой время перемещения поршня от момента подачи управляющего газа до момента контактирования тарели с седлом клапана. Суммарное время складывается из времени задержки т3 и времени собственно движения поршня тс. Этап II — это режим динамического нагружения стыка и деталей, входящих в силовую схему, до затухания процесса - время тк. После затухания процесса, связанного с наличием в системах диссипативных сил, в стыке устанавливается статическое или установившееся значение силы.
При проектировании определение времени срабатывания является решением первой задачи вопроса динамики пневмоклапанов ( газодинамический расчет ).
Решение данной задачи для различных типов пневмоклапанов приведено в работах [33,34,35,9]. Однако особо следует отметить работы Герц Е.В. [12,13] по расчету пневмоприводов, в которой наряду с решением задачи определения времени срабатывания подробно рассматриваются газодинамические процессы в полостях пневматической системы, и работ}' Филина Н.И. [42], в которой приведено решение для иневмоклапанов с криогенными жидкостями.
Расчет времени срабатывания выполняется на модели твердого недефор-мируемого тела с одной степенью свободы и сводится к решению системы совместных уравнений состояния пневматической, гидравлической и механической систем. В практических расчетах, выполняемых при проектировании пневмоклапанов, как правило, используются разработанные для ЭВМ проблемно-ориентированные программы с использованием численных методов интегрирования по времени. Как показывает практика проектирования, результаты расчета времени срабатывания имеют достаточно приемлемую сходимость с экспериментальными данными при испытаниях агрегатов.
Решение второй задачи динамики пневмоклаианов является достаточно
сложной и неоднозначной для различных типов и групп агрегатов пневмогид-
равлических систем ракетоносителей. Определение динамической нагрузки при
контактировании тарели и седла пневмоклаиана в условиях воздействия на ме-
15
ханическую систему сил пневматической и гидравлической среды представляет собой наибольший интерес с точки зрения работоспособности агрегата. Если при расчете времени срабатывания механическая система рассматривается как абсолютно жесткое тело, то при расчете динамического нагружения необходимо уже ее подробное моделирование, так как она становится объектом исследования. Воздействие на механическую систему со стороны пневматической и гидравлической систем при определенных допущениях можно будет рассматривать как внешние. В случае небольших перемещений подвижной части при контактировании их взаимное влияние будет практически несущественным и тогда решение задачи динамического нагружения будет упрощено.
Следующим вопросом задачи динамического нагружения является работа контактируемьтх материалов за пределами упругости или закона Гука. Как отмечено в работе Квасова В.М. [17], решение задачи по определению динамического нагружения имеет трудности, в первую очередь связанные с определением механических свойств материалов в месте контакта. Поскольку возникают пластические деформации материала уплотнителя, то это в свою очередь требует учета, например, для полимеров, элементов с пониженной жестокостью и других типов материалов затворов, реологических и других свойств. Вместе с тем для крупногабаритных пневмоклапанов, выполненных из высокопрочных стальных сплавов, к которым относятся исследуемые агрегаты окислительной системы центрального блока ракетоносителя «Энергия», как будет показано в дальнейшем, вполне обоснованным является допущение о линейных свойствах материалов деталей конструкции, входящих в силовую схему при динамическом нагружении. Такое допущение значительно упрощает решение задачи динамического нагружения при контактировании.
Вопросы снижения уровня динамического нагружения при срабатываниях пневмоклапанов и пневмоприводов в работах Герц Е.В. [12,13] и Романенко
Н.Т. [34] рассмотрены только лишь в плане снижения скорости движения подвижной части в конце хода. Для этой цели в работах рассматривается вариант
установки на выходе из выхлопной полости пневмоприводов дроссельных
16
- Київ+380960830922