Обеспечение динамических качеств управляемых клапанных агрегатов пневмогидравлических систем

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

— увеличения давления и расхода рабочих сред в трактах ПГС;

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Работа выполнена в НИЛ «Динамическая прочность и виброзашита транспортных систем» Самарской государственной академии путей сообщения в рамках отраслевой «Программы энергосбережения на железнодорожном транспорте в 19 982 000, 2005 годах» (Постановление Правительства от 04.07.98 № 262 пр-уУказание МПС РФ от 09.10.98 №Б-1166у) и «Программы обновления и развития средств автоматики и телемеханики» на 2000;2004 г. г. (Постановление Коллегии МПС РФ от 24−25 декабря 1999 г. № 23).

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

4.3. Выводы.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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