Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние исследований в области технологии сборки, регулирования и испытания тошійворегулирущих агрегатов 10
Выводы по главе 1 18
Глава 2. Математическое обеспечение технологических процессов сборки и регулирования для оптимизации отладки выходных параметров тшливорегулирующих агрегатов 20
2.1. Математические модели функциональных узлов топ-ливорегулирующих агрегатов, определяющие выходные параметры 20
2.1.1. Математические модели дозирующих и дросселирующих устройств, определяющие расходные характеристики 21
2.1.2. Математические модели исполнительных устройств, определяющие временные характеристики 24
2.1.3. Математические модели функциональных цепей дозирующих и исполнительных устройств 27
2.2. Принципы построения многофакторных математических функциональных узлов топливорегулирующих агрегатов 31
2.2.1. Факторы, влияющие на выходные параметры и качество функционирования топливорегулирующих агрегатов 31
2.2 2. Методика расчета построения многофакторных математических моделей с применением ЭВМ 32
2.3. Оптимизация отладки выходных параметров и диагностика их отклонений на основе применения математических моделей функциональных узлов топливорегудирующих агрегатов 44
Выводы по главе 2 47
Глава 3. Обоснование применения математических моделей функциональных узлов топлиюрегулирущйх агрегатов для оптимизации отладки выходных параметров 50
3.1. Установка для обеспечения проверки времени срабатывания клапанов переключателей 50
3.2. Практическое использование математических моделей исполнительных устройств для оптимизации отладки временной характеристики 52
Выводы по главе 3 85
Глава 4. Номограммы к оптимизации отладки выходных параметров в процессе сворки и регулирования топливорегулирующих агрегатов 87
Выводы по главе 4 94
Глава 5. Оценка эшжтибности внвдрения разработанного метода при регулировании тогошворегулйрущих агрегатов 95
Выводы по главе 5 100
Литература 102
Приложение 108
- Состояние исследований в области технологии сборки, регулирования и испытания тошійворегулирущих агрегатов
- Математические модели исполнительных устройств, определяющие временные характеристики
- Принципы построения многофакторных математических функциональных узлов топливорегулирующих агрегатов
- Практическое использование математических моделей исполнительных устройств для оптимизации отладки временной характеристики
Введение к работе
В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года", принятых на ХХУІ съезде КПСС, подчеркивается, что основной задачей, стоящей во всех отраслях народного хозяйства, в частности и в авиационном агрегатостроении, является создание и внедрение в производство прогрессивной технологии.
В настоящее время в области авиационного агрегатостроения нерешенной проблемой является оптимизация отладки выходных параметров в процессе сборки и регулирования.
Для проверки агрегатов соответствию техническим требованиям они подвергаются приемо-сдаточным испытаниям. С целью проверки надежности работы на установленный ресурс агрегаты подвергаются контрольно-выборочным испытаниям. Как показывает опыт, приемо-сдаточные испытания являются трудоёмким, сложным и дорогостоящим технологическим процессом. Так, например, при регулировании и испытании одного серийного топливо регулирующего агрегата требуется от I до 5 дней, но при наличии дефектов и нестабильностей характеристик процесс регулирования затягивается, а в случае безуспешной регулировки агрегат отправляется на частичную или полную разборку с последующей дефектацией деталей и узлов. Дефектация агрегатов на этапе приемо-сдаточных испытаний обусловливается несоответствием выходных параметров агрегатов нормам технических требований, причиной которой является сборка серийных агрегатов с неблагоприятными сочетаниями конструктивно-технологических факторов. Следует отметить, что поиск оптимальной регулировки проводится с учетом влияния конструктивно-технологических факторов. Таким образом, задачи сборки и регулирования должны решаться на основе нахождения математических зависимостей между выходными параметрами и доминирующими конструктивно-технологическими факторами. Регулирование и испытание топливо регулирующих агрегатов проводится на стендах, предназначенных только для одного типа агрегатов или модификаций. С целью приближения к двигательным условиям используют стенды с обратной связью.
При создании методики регулирования и испытания серийного агрегата производят выбор контролируемых и регулируемых параметров режима испытания, задаются точностью получаемых параметров с учетом внешних факторов.
Для обеспечения наименьшей трудоемкости технологических процессов сборки, регулирования и испытания, а также повышения точности настройки по выходным параметрам необходимы математические модели типовых функциональных узлов топливо регулирующих агрегатов, определяющие выходные параметры агрегатов. Такие модели в конечном счете возможно представить в виде номограмм, что на практике обеспечит быстрое достижение заданных целей при "одноразовой" сборке и регулировании. Под "одноразовой" понимается сборка, проводимая за один технологический цикл, без переборки.
Анализ существующей литературы показывает, что ещё мало работ посвящено непосредственно технологическим процессам сборки, регулирования и испытания топливо регулирующей аппаратуры ДМ. Они немногочисленны и в основном носят описательный характер. Кроме того, разобщенность сведений по этому вопросу затрудняет освоение материала и использование накопленного опыта. Совсем отсутствуют в литературе сведения о применении математических средств, обеспечивающих точную и быструю регулировку, а также одноразовую сборку агрегатов с получением заданных параметров.
В связи с этим в работе ставится цель создания математического обеспечения для оптимизации отладки выходных параметров агрегатов при технологических процессах сборки и регулирования.
Работа построена в следующей последовательности.
Вначале рассматриваются вопросы выбора и построения многофакторных вероятностно-статистических моделей с учетом физической суіцности процесса и доминирующих конструктивно-технологических факторов. Далее строятся многофакторные математические модели методом пассивного планирования эксперимента с применением корреляционно-регрессионного анализа. Этапы исследований в соответствии с ходом решения поставленных задач изложены в следующих главах:
Глава I. Состояние исследований в области технологии сборки, регулирования и испытания топливорегулирующих агрегатов.
Глава 2. Математическое обеспечение технологических процессов сборки и регулирования для оптимизации отладки выходных параметров топливорегулирующих агрегатов.
Глава 3. Обоснование применения математических моделей функциональных узлов топливорегулирующих агрегатов для оптимизации отладки выходных параметров.
Глава 4. Номограммы к оптимизации отладки выходных параметров в процессе сборки и регулирования топливорегулирующих агрегатов.
Глава 5. Оценка эффективности внедрения разработанного метода при регулировании топливорегулирующих агрегатов.
Состояние исследований в области технологии сборки, регулирования и испытания тошійворегулирущих агрегатов
Говоря о существующем развитии авиационного агрегато-строения, прежде всего хотелось бы отметить возросщую конструктивную сложность топливорегулирующих агрегатов. Наряду с конструктивной сложностью агрегатов усложняется и производственный процесс изготовления, сборки, регулирования и испытания агрегатов, что, в свою очередь, требует привлечения значительного количества высококвалифицированного персонала при проведении регулирования и испытания, т.е. на завершающем этапе серийного производства.
Регулирование и испытание представляет собой комплекс работ, состоящий из предварительных программ регулирования и испытания узлов, а также окончательной программы регулирования и испытания топливорегулирующих агрегатов в целом. Регулирование агрегатов - технологический процесс, в результате которого достигаются значения заданных выходных параметров за счет настройки или замены регулировочных элементов. К таким элементам относятся: регулировочные винты, пружины, шайбы, дроссельные пакеты, жиклеры.
Одной из основных трудностей изготовления топливорегулирующих агрегатов на стадии серийного производства, является отладка выходных параметров в процессе регулирования. Трудоёмкость отладки обусловливается несоответствием выход ных параметров нормам технических требований, причиной которого является сборка топливной аппаратуры с неблагоприятными сочетаниями конструктивно-технологических факторов. При этом значительно увеличивается время, затрачиваемое на регулирование, а в случае безуспешной регулировки агрегаты отправляются на частичную или полную разборку с последующей дефекта-цией деталей и узлов. Все это удорожает стоимость выпускаемой продукции, а также требует значительного расхода энергетических ресурсов. Наряду с решением вопроса о регулировании резко встаёт вопрос технического диагностирования с целью выявления дефектов и неисправностей. Поэтому вопросы регулирования необходимо решать во взаимосвязи с вопросами диагностирования. С этой точки зрения интересна работа В.Н. Лозовского С 273 и работа автора С 19 3 Контроль параметров топливорегулирующих агрегатов позволяет определить их техническое состояние, судить о стабильности получаемых характеристик и их соответствии техническим требованиям. Показателем сложности регулирования и испытания агрегатов может служить количество регулируемых и контролируемых параметров, достигающих 100 и более, а также количество регулировочных элементов, с помощью которых приходится настраивать выходные параметры.
Существенное влияние на выходные параметры агрегатов, как уже отмечалось, оказывает качество изготовления деталей и сборка. Согласно выводам, сделанным в работе В.Г. Неймана С 35 3, большая часть отказов, возникающих при регулировании и испытании агрегатов, связана с несоответствием какого-либо выходного параметра техническим требованиям. Выходные параметры зависят от конструктивно-технологических и внешних факторов. К конструктивно-технологическим факторам относятся геометрические размеры деталей и их положение в сборочной размерной цепи, а также зазоры между золотниковыми и плунжерными парами, характеристики механических, электромеханических и гидравлических элементов и т.д. Конструктивно-технологические факторы и их погрешности лимитируются конструкторской и технологической документацией. Наряду с этим на выходные параметры агрегатов оказывают влияние внешние факторы, к которым относятся вибрация, температура, давление окружающей среды, стабильность работы системы гидропитания. В известной степени материалы по этим вопросам изложены в работах [з, 17, 24, 25, 421 .
Многогранность поставленных задач требует дальнейших исследований в области построения технологических процессов на всём протяжении от обработки деталей, сборки агрегатов и до приемо-сдаточных испытаний. Решение задач требует привлечения теории автоматического регулирования, математического моделирования, теории планирования эксперимента, методов оптимизации. При решении поставленных задач появляются предпосылки внедрения гибких автоматизированных производств применительно к технологическим процессам сборки, регулирования и испытания топливорегулирующих агрегатов. литературы, посвященной вопросам регулирования и испытания агрегатов, крайне мало 20, 23, 26, 30, 31 J . К ним относится работа В.Е. Логинова [ 26 1 , A.M. Матвеенко и др. L 30 J , в которых даются рекомендации по вопросам отладки расходных и временных характеристик агрегатов, а также работа автора 20 J , касающаяся применения математических моделей для оптимизации отладки выходных параметров агрегатов.
С точки зрения методологии и обеспечения регулирования выходных параметров агрегатов будет полезно обобщение опыта, изложенного в работах В.М. Сапожникова [ 43 J , А.В. Чернышева 52 j , где излагаются вопросы испытания гидравлических и пневматических систем летательных аппаратов, регулирования и автоматизации, технологии монтажа, испытания и контроля бортовых систем. Из анализа вышеуказанных работ 43, 52 J следует, что снижение затрат на проведение регулирования и испытания агрегатов при обеспечении требуемого уровня их качества может быть достигнуто за счет сокращения продолжительности технологического цикла, применения целенаправленной сборки и методов ускоренных испытаний.
Одним из упомянутых направлений в снижении трудоёмкости технологического процесса регулирования и испытания агрегатов является применение автоматизированных систем контроля и управления на базе ЭШ« В работе М.С. Таршиша 46 ] приводятся примеры использования ЭВМ, обычно аналоговых, для моделирования управляемого объекта ГТД при контроле динамических характеристик топливорегулирующих агрегатов. Применение так называемого натурного моделирования по сравнению с испытаниями на двигателе обеспечивает ряд преимуществ, в том числе возможность отладки агрегатов при наличии лишь математического описания двигателя как обьекта управления, что позволяет параллельно вести работы над агрегатом и двигателем и в конечном счёте сокращает время, стоимость испытаний, повышает надежность серийно выпускаемых топливорегулирующих агрегатов.
Математические модели исполнительных устройств, определяющие временные характеристики
Для регулирования времени срабатывания исполнительных устройств нашла широкое применение система дроссельного регулирования, которую, в зависимости от вида поддержания давления в управляющих полостях, можно подразделить на системы: с постоянным давлением, с переменным давлением, комбиниро-ванная. При расчете различных систем автоматического регулирования они обычно разбиваются на динамические звенья, описываемые определенным дифференциальным уравнением. Анализ ис -полнительных устройств с системой дроссельного регулирования, т.е. регулирования при помощи дроссельных пакетов показывает, что для них наиболее общим является уравнение апериодического звена первого порядка где Тс - постоянная времени звена; У- - выходная величина; "t - время срабатывания исполнительного устройства; "fee. - коэффициент передачи звена; 2 - возмущающее воздействие. Если принять 2 = 0, а Ч. считать пропорциональной величине пропускной способности дроссельного пакета Gop при Дг в Coo st » уравнение /2.8./ примет вид показывает форму функциональной связи между временем срабатывания исполнительного устройства и величиной проливки дроссельного пакета. Высказанные выводы подтверждаются результатами, приведенными в работе L 29 J , где было установлено соотношение для времени срабатывания электропневматического клапана где В - коэффициент усиления; сС - обобщенный комплекс, включающий в себя физические параметры и конструктивно-технологические факторы.
Уравнения /2.9./ и /2.10./ показывают в общем виде форму функциональной связи физических параметров и конструктивно-технологических факторов со временем открытия клапанов гидрогазовых систем. Поэтому для оптимизации процессов отладки временных характеристик связь между временем срабатывания исполнительного устройства с физическими параметрами и доминирующими конструктивно-технологическими факторами наиболее целесообразно представлять в виде степенной функции, а не полиномом, т.к. она более точно описывает выходной параметр. Кроме этого, степенная функция позволяет асимметричные распределения статистических данных, в большинстве случаев, аппроксимировать нормально-логарифмическим законом. Применение степенной функции облегчает построение номограмм для отладки выходных параметров в процессе сборки и регулирования. Данный подход позволяет создавать математические модели исполнительных устройств топливорегулирующих агрегатов в виде степенной функции 2.И./ где ОС?/ , 0. , ... , сВі - физические параметры и конструктивно-технологические факторы; v0 , Pf, , , ... ... , vl - коэффициенты регрессии; і I, 2, ..., "Ш к, - число факторов, или в виде системы степенных функций. Выходные параметры топливорегулирующих агрегатов определяются не только дозирующими и исполнительными устройствами, но и клапанами постоянного перепада и давления, которые соответственно поддерживают постоянный перепад давления рабочей жидкости на дозирующем устройстве или постоянное давление рабочей жидкости в полостях исполнительных устройств. Согласно работе С 29 J , изменение величины давления при работе клапанов определяется экспоненциальным законом, поэтому изменение выходного давления, определяемого клапаном постоянного перепада или давления, от конструктивно-технологических факторов целесообразно представлять функцией вида где Р - давление рабочей жидкости; .j , 0С±, ... , 0?с- конструктивно-технологические факторы; оь , 6 І , ... ... , - коэффициенты регрессии; L = I, 2, ... , & ; х. - количество факторов. Таким образом, математические модели функциональных цепей дозирующих и дросселирующих устройств представляют собой систему уравнений, состоящую из уравнения /уравнений/, описывающего работу дозирующего или дросселирующего устройства, и уравнения, описывающего работу клапана постоянного перепада /2.13./ где Q - расход топлива через дозирующее или дросселирующее устройство при ламинарном течении рабочей жидкости; Д Р -перепад давления на дозирующем или дросселирующем устройстве; 32 А , СЕд, , ... » ц-j,- конструктивно-технологические фак-торы дозирующего или дросселирующего устройства; u; , 0 , 0Са , ... , Х и - конструктивно-технологические факторы клапана постоянного перепада; о о , о , ь , Ьз , ... ... , ё 1 и 60 , ь , ь , ё , ... , Qf - коэффициенты регрессии
Принципы построения многофакторных математических функциональных узлов топливорегулирующих агрегатов
Построение математических моделей функциональных узлов топливорегулирующих агрегатов основывается на информации, получаемой в процессе сборки, регулирования и испытания, информация может быть трех видов: количественная параметрическая, конструктивно-технологическая, по внешним факторам. Количественная параметрическая информация позволяет получить данные о физических характеристиках функциональных узлов агрегатов, о техническом состоянии его элементов. Это прежде всего давление, расход, температура, частота вращения привода и т.п. Такой объем информации дает практически полное представление о физических процессах и техническом состоянии агрегатов при их функционировании в любой момент времени, в том числе в момент проявления отказа, до него и после. Это важно при анализе причин нестабильностей и дефектов. Конструктивно-технологическая информация позволяет получить данные по регулировочным элементам, жесткости регулировочных пружин, еильфонных и мембранных элементов, проходным диаметрам жиклеров, пропускной способности дроссельных пакетов, утечкам по зазорам золотниковых пар, геометрическим и сборочным размерам деталей и узлов. Йнформация по внешним факторам включает в себя сведения о температуре окружающей среды, атмосферном давлении, уровне вибрации и т.д. На рис.2 приводится классификация внешних и внутренних /конструктивно-технологических/ факторов, влияющих на выходные параметры топливорегулирущих агрегатов.
Сущность построения многофакторных математических моделей функциональных узлов топдиворегулирующих агрегатов заключается в совместном анализе физических параметров процесса и конструктивно-технологических факторов. Построение математической модели начинается с определения числа выборки N . Минимально достаточное число наблюдений /агрегатов/ определяется по формуле где "К - число физических параметров и конструктивно-техно логических факторов; R - коэффициент множественной корре ляции; Г\ - коэффициент, учитывающий систематическую пог решность в расчетах. Величины J5 , и К р задаются предварительно. Коэффициент множественной корреляции служит для оценки связи между зависимой переменной и совокупным влиянием всех отобранных конструктивно-технологических фак торов и физических параметров. Его целесообразно предвари тельно назначать в диапазоне от 0,5 до I. Коэффициент К назначают в пределах от 0,9 до I. Так, например, при постро ении 5-ти факторной математической модели, приняв предвари тельно = 0,75 и K"g 0»9 /при систематической ошибке, равной 10 %/, получим минимально достаточное число наблюдений /выборки/ После построения математической модели, определив коэффициент множественной корреляции, производится проверка правильности выбора минимально достаточного числа наблюдений по формуле /2.17./. Гипотезу о принадлежности рассматриваемой выборочной совокупности к нормальной форме можно проверить с помощью асимметрии А и эксцесса с. » если воспользоваться тем свойством, что для нормального распределения характеристики асимметрии и эксцесса должны быть равны нулю. Правило проверки в этом случае заключается в сопоставлении величин « и сих средними квадратическими отклонениями. Если А 2 д и f $ &г » то наблюДаемые Р610" пределения можно считать нормальными, В противном случае гипотеза нормальности отвергается. Наиболее просто величины А и Е определяются по формулам
Практическое использование математических моделей исполнительных устройств для оптимизации отладки временной характеристики
Приводится экспериментально-расчетное обоснование применения математических моделей функциональных узлов топли-ворегулиругощих агрегатов для оптимизации отладки выходных параметров при технологическом процессе сборки и регулирования.
Определение времени срабатывания клапана переключателя KOHfypa t на переходных режимах производилось на стендовой установке путем осциллографирования. Расшифровка осциллограммы приведена на рис.4 , на котором время срабатывания t - расстояние между точками А и Б.
С целью снижения трудоёмкости отладки временной характеристики рассматривалась возможность использования математических моделей клапанов переключателей контуров топливоре-гулиругоших агрегатов в процессе сборки и регулирования. Функциональная цепь исследуемого типового клапана переключателя контура, состоящая из клапана переключателя и клапана постоянного давления, приведена на рис.5.
При положении РУД /ручки управления двигателем/ от 0 до угла ft давление в управляемой полости поршня 2 золотника 3 равно давлению Рол /давление топлива на сливе из агрегата/, т.к. распределительное устройство 13, связанное с РУД, соединяет канал 10 со сливной магистралью. Поэтому золотник 3 под действием пружин 5 и 6 находится на упоре во втулке, перекрывая левые отверстия во втулке 4, к которым подводится давление Р -- /постоянное давление для управления механизмами агрегатов/, и сообщая отверстия второго ряда с правой стороны втулки со сливной магистралью. Пружинная полость золотника 3 также, в свою очередь, соединена со сливной магистралью. При давлении в штуцере I равном Рсл заслонка центробежного насоса /не показан на рис.5/ закрыта, и топливо в агрегат не пос тупает. При достижении РУД угла 2- распределительное устройство 13 отсоединяет канал 10 со сливной магистралью и соединяет канал 10 с магистралью постоянного давления. Вследствие этого давление в управляемой полости поршня золотника 3 возрастает до величины равной Ркп . В результате возросшего перепада на поршне золотник 3, преодолевая сопротивление пружин 5 и б, переместиться влево до упора 7 в крышке 8. В этом случае золотник перекроет правые отверстия во втулке и сообщит левые отверстия со средними, вследствие чего давление в штуцере I возрастет до давления Р . При увеличении давления в штуцере I до величины Р откроется заслонка в центробежном насосе и начнется подача топлива к дозирующему контуру. Время повышения давления рабочей жидкости в штуцере I должно быть в пределах 0,5...1 с. Разрешается в случае необходимости провести подрегулировку времени унифицированным дроссельным пакетом 9 с проливкой от 120 до 470 см /мин. Клапан переключения работает совместно с клапаном постоянного давления, который служит для обеспечения постоянного давления в управляющих полостях агрегата и для того, чтобы система управления была нечувствительной к изменению давления за насосом. Топливо поступает от насоса к кольцевой канавке во втулке 12. Через отверстия во втулке прикрытые золотником II, топливо поступает в магистраль постоянного давления. Величина постоянного давления в магистрали определяется затяжкой пружины 14, действующей на золотник II. При повышении давления в магистрали за клапаном золотник II, перемещаясь, прикрывает отверстия во втулке и тем самым уменьшает подачу топлива, что приводит к уменьшению . давления в этой магистрали.
