Введение к работе
Актуальность проблемы. Совершенствование конструкций авиационной и космической техники невозможно без разработки новых элементов пнев-могидравлических систем как неотъемлемой части летательного аппарата, оказывающей значительное влияние на его работоспособность. Это связано с переходом на новые виды топлива, прежде всего криогенные, расширением условий эксплуатации, ростом требований по надежности и долговечности, ограничениями по габаритам и массе, ужесточением экологических требований.
В настоящее время в ушютнительных соединениях летательных ашш-. ратов широкое распространение получает использование тонкостенных обо-лочачных элементов, выполненных, как правило, в виде тонкостенных цилиндрических /реже - конических/ элементов. Такие элементы при формировании уплотнительного стыка легко деформируются, принимая форму ответной детали. Уплотнительные соединения с оболочечнывд элементами могут быть использованы в клапанах, кранах, фланцах, штуцерах, стыковочных узлах и т.п. Материалы уплотнительных соединений - стали, бронзы, латуни, что позволяет использовать соединения в агрессивных средах и в условиях термических воздействий.
Упругий оболочечный элемент имеет низкую изгибную жесткость, что обеспечивает" ушготнигельному соединению "металл - металл" сохранение всех преимуществ уплотнения "металл - полимер", позволяет соединить в нем лучшие черты двух типов уплотнений, особенно в тяжелых условиях работы, когда положительные качества рассматриваемого уплотнительного соединения проявляются лучшим образом.
К основным преимуществам уплотнительного соединения с оболочеч-ным элементом относятся:
- по сравнению с другими уплотнениями "металл - металл'^ низкие усилия герметизации;
равномерное распределение контактного давления по периметру;
устойчивость к внешним механическим воздействиям;
не требуется притирка и доводка уплотнительного соединения;
возможность реализации избирательного переноса;
малые динамические нагрузки при срабатывании клапана;
низкие требования к точности монтажа и сборки и др.
В значительной мере широкое использование такого типа уплотните-льных. соединенийГв авиакосмической технике и других отраслдаГпромыш-ленности сдерживается отсутствием инженерных методик определения рациональных разглеров оболочечного элемента. Область рациональных размеров оболочечного элемента достаточно узкая для заданных условий эксплуатации. Выход из нее в одну сторону ведет к пластическому .деформированию оболочечного элемента или его разрушению; в другую - ведет к потере упругим оболочечным элементом его положительных свойств.
Актуальность работы заключается в необходимости теоретического обобщения и решения крупной научно-технической проблемы, имеющей важное народно-хозяйственное значение, связанной с разработкой методов расчета и проектирования оболочечных элементов в уплотнителышх соединениях, которые позволят улучшить качество и потребительские свойства существующих изделий и создавать принципиально новые, опережающие современный мировой уровень конструкции.
. Цель и задачи работы. Диссертация посвящена разработке инженерных методов статического и динамического расчета уплотнительного соединения с оболочечным элементом, выбору его рациональных размеров; анализу факторов, определяющих' динаїлику срабатывания клапана и разработке конструктивных методов управления кинетической энергией подвижных частей клапана в момент соударения; разработке перспективных конструкций уплотнительных соединений.
Для достижения поставленной цели в работе потребовалось: теоретически обобщить проблему и выработать единую стратегию исследований,
разработать модели уплот'нительного соединения и алгоритмы их реализации на ЭВМ, частично разработать прикладное программное обеспечение; разработать экспериментальные установки, на которых можно проверить достоверность подученных результатов и получить новые дшшые, необходимые для проектирования уплотнений. В задачи работы входило дать ответы на вопросы, которые к настоящему времени недостаточно или совсем не освещены в литературных источниках. К таким вопросам относятся:
решение задачи контактного взаимодействия оболочечного элемента с жестким затвором с образованием контакта по поверхности и с учетом трения в контакте;
теоретико-экспериментальное прогнозирование износа клапанного уплотнения;
разработка обобщенной модели срабатывания электромагнитного. клапана;
методика экспериментального определения коэффициента трения в стыка уплотнигельных поверхностей;
'- методика определения рациональных размеров оболочечного элемента, работающего в условиях динамического ударного нагружения;
нормирование внешних механических воздействий на уплотнитель-ное соединение;
оценка отклонений формы элементов уплотнительного соединения.
Научная новизна. Диссертация является самостоятельной научно-исследовательской работой, представляющей собой теоретическое обобщение и решение крупной научной проблемы. На защиту выносятся основные, содержащие элемент научной новизны, положения диссертации, сформулированные в нижеперечисленных пунктах.
-
Разработка инженерной методики статического и динамического расчета цилиндрического оболочечного элемента.
-
Определение рациональных размеров оболочечного элемента клапанного уплотнения, работающего в условиях динамического нагружения.
і 3. Определение контактного взаимодействия оболочечного элемента
о жестким затвором при контактировании по поверхности.*
-
Оптимизация формы запорного органа, ударным образом взаимодействующего о оболочечным элементом.
-
Разработка модели срабатывания клапана как элемента пневмогид-равлической системы и конструктивных методов управления кинетической энергией подвижных частей клапана в момент соударения.
-
Разработка теоретико-экспериментальной методики прогнозирова-ния"'износа клапанного уплотнения с оболочечным элементом. ~~
-
Разработка методики прогнозирования работоспособности уплот-нительного соединения с оболочечным элементом при внешних механических воздействиях.
-
Разработка перспективных конструкций уплотнительных соединений с оболочечным элементом, использование которых позволит значительно повысить несущую способность оболочечного элемента, снизить необходимое усилие герметизации, обеспечить надежную работу ушютните-льного соединения в условиях динамического и термического нагруженяй.
Достоверность результатов: Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы обоснована:
строгим использованием классических механических концепций и адекватного математического аппарата;
соответствием полученных аналитических результатов с данными экспериментов;
положительным опытом внедрения разработанных методик расчета и проектирования в промышленности.
Практическая ценность работы определяется-:
разработкой методов, алгоритмов, прикладного программного обеспечения, получивших внедрение при расчетах и проектировании уплот- -нительных соединений на ряде предприятий;
проведением расчетов для большого количества задач и выдачей рекомендаций по рациональному проектированию оболочечных элементов уплотнительных соединений;
- разработкой принципиально новых и патентно чистых конструкций уплотнительных соединений с оболочечннм элементом и приводных устройств.
Разработанные метода расчета и новые конструкции уплотнительных соединений в той или иной степени внедрены в НПО "Энергия", Самарском КБ "Арматурпроект", ПО "Киевпромарматура", АНТК им. А.Н.Туполева, Новополоцком ПО "Полимир", ИркутскНИИхиммаше, НПО "Криогенмаш" и др.
Материалы работы использованы в учебном пособии, рекомендованном Государственным комитетом Российской Федерации по высшему образованию для студентов, обучающихся по специальности "Авиационные двигатели", направлению "Авиа- и ракетостроение".
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на отраслевой научно-технической конференции ^Состояние и перспективы развития вакуумной техники" /Москва, НШЗТ, 1979/, 1 Республиканской конференция по повышению надежности я долговечности машин и сооружений" /Киев, 1982/, конференции "Проблемы снижения материалоемкости, повышения надежности и эффективности машин" /Киев, 1982/, конференции "Совершенствование конструкций трубопроводной пневмогидроарма-туры" /Москва, 1987/, XI Всесоюзной конференции "Конструкционная прочность двигателей" /Куйбышев, 1988/, конференции "Повышение качества герметизирующих соединений" /Пенза, 1988 и 1989/, У Всесоюзном совещании по уплотнительной технике /Суш, 1988/, 17 Всесоюзной конференции "Смешанные задачи механики деформируемого твердого тела" /Одесса, 1989/, Всесоюзном научно-техническом семинаре "Совершенствование конструкций пневмогидроарматуры" /Киев, 1990/, конференции "Проблемы' динамики дневмогидравлических и топливных систем летательных аппаратов" /Куйбышев, 1990/, 9 Международной конференции по уплотнительной технике /Дрезден, 1990/, конференции "Управление качеством и метрологическое обеспечение процессов механообработки" /Пенза, 1992/, 1 Международной авиакосмической конференции /Москва, 1992/, 1 Международ-
ном симпозиуме украинских инженеров-механиков /Львов, 1993/, семинаре "Проблемы механики деформируемого твердого тела и динамики машин" в МГАИ/ТУ/ в 1990 и 1993 г.г., выездном заседании Головного Совета "Машиностроение" ГК РФ по высшему образованию /Орел, 1995/.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы представлено в разделе книги и 44 статьях, трудах и тезисах докладов конференций, авторских свидетельствах. В издательстве МАИ осуществляется на--о,ор-книпг-"Основілгеории и проектирование-;уалотнени{Гпневмогядроарма-туры летательных аппаратов" объемом 16 п.л., авторы А.М.Долотов, П.М. Огар, Д.Е.Чегодаев.
Структура и объем работы, диссертация состоит из введения, семи глав, заключения с основными выводами по работе, списка литературы из 151 наименования. Общий объем работы 280 страниц, включая 4 таблицы и 110 рисунков. К диссертации прилагаются документы о внедрении и практическом использовании результатов работы в промышленности.
Автор выражает глубокую признательность академику РИА, д.т.н., профессору А.И.Станкевичу за консультации, внимание и поддержку при подготовке и завершении диссертации.
