Удосконалювання конструктивних параметрів і технічних характеристик енергетичних вузлів прес-гармат для гідродина-мічного штампування

Размещено на http://www.allbest.ru/

Донбаська державна машинобудівна академія

УДК: 621.7.044

УДОСКОНАЛЮВАННЯ КОНСТРУКТИВНИХ ПАРАМЕТРІВ

І ТЕХНІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЕНЕРГЕТИЧНИХ ВУЗЛІВ

ПРЕС-ГАРМАТ ДЛЯ ГІДРОДИНАМІЧНОГО ШТАМПУВАННЯ

Спеціальність 05.03.05

“Процеси та машини обробки тиском”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ПАВЛЕНКО ВІТАЛІЙ МИКОЛАЙОВИЧ

Краматорськ - 2002



Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник:кандидат технічних наук, доцент Саприкін Віталій Миколайович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, м. Харків, завідувач кафедрою теоретичної механіки та машинознавства.

Офіційні опоненти:доктор технічних наук, професор Мовшович Олександр Якович, Державне підприємство “Харківський науково-дослідний інститут технології машинобудування”, м. Харків, головний інженер.

кандидат технічних наук, доцент Подлєсний Сергій Володимирович, Донбаська державна машинобудівна академія, м. Краматорськ, завідувач кафедрою технічної механіки.

Провідна установа:Державне підприємство “Завод ім. В.О. Малишева”, центральна заводська лабораторія, Міністерство промислової політики України, м. Харків.

Захист відбудеться 5 грудня 2002 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.105.01 у Донбаській державній машинобудівній академії (84313, м. Краматорськ, вул. Шкадинова, 72, 1-й навчальний корпус).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Донбаської державної машинобудівної академії (84313, м. Краматорськ, вул. Шкадинова, 72, 1-й навчальний корпус).

Автореферат розіслано 1 листопада 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 12.105.01,

доктор технічних наук, доцент О.В. Сатонін



АННОТАЦІЇ

Павленко В.М. Удосконалювання конструктивних параметрів і технічних характеристик енергетичних вузлів прес-гармат для гідродина-мічного штампування. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.05 - процеси та машини обробки тиском. Донбаська державна машинобудівна академія, м. Краматорськ, 2002.

Дисертацію присвячено зниженню матеріаломісткосі, підвищенню ефективності використання енергоресурсів, зменшенню витрат на проектування енергетичних вузлів за рахунок заміни більшої частини натурного експерименту на математичне моделювання з урахуванням розроблених рекомендацій стосовно вибору раціональних конструктивних параметрів і технічних характеристик енергетичних вузлів прес-гармат для гідродинамічного штампування.

Розроблено комплексну математичну модель термодинамічних процесів, що відбуваються в системі “ствол-набій-снаряд” і модель, яка описує процес динамічного деформування ствола під дією прикладених навантажень. Наведено практичні рекомендації щодо вибору раціональної довжини та маси снаряда, тиску форсування, величини проміжку між стінками ствола й снарядом, щільності заряджання. Проаналізовано процес прогріву ствола у процесі роботи установки. Дано оцінку еквівалентних напружень, які виникають у стволі технологічної прес-гармати від дії полів тиску й температур. Розроблено інженерну методику проектувального розрахунку, яка дозволяє прогнозувати міцність ствола та визначати необхідну товщину його стінок.

Результати роботи у вигляді рекомендацій до проектування й вибору раціональних параметрів та режимів енергетичних вузлів прес-гармат для гідродинамічного штампування прийнято до використання на ВАТ “Мотор Січ” та підприємстві “ХАІ-Сервіс”.

Ключові слова: прес-гармата, гідродинамічне штампування, енергетичний вузол, математичне моделювання, енергетична характеристика, балістичне проектування, напружено-деформований стан, міцність.



Павленко В.Н. Совершенствование конструктивных параметров и технических характеристик энергетических узлов пресс-пушек для гидродинамической штамповки. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 - процессы и машины обработки давлением. Донбасская государственная машиностроительная академия, г. Краматорск, 2002. гідродинамічний штампування прес моделювання

Диссертация посвящена снижению материалоемкости, повышению эффективности использования энергоресурсов, уменьшению затрат на проектирование энергетических узлов на основе развития методов математического моделирования и разработки рекомендаций по выбору рациональных конструктивных параметров и технических характеристик энергетических узлов пресс-пушки для гидродинамической штамповки.

В работе разработаны комплексная математическая модель термодинамических процессов, протекающих в системе “ствол - заряд - снаряд” и модель, которая описывает процесс динамического деформирования ствола под действием приложенных нагрузок. Эти модели учитывают природу энергоносителя, наличие массо-энергетических потерь, форсирование давления, конвективно-радиационный характер теплообмена стенок ствола и снаряда с рабочим телом (газом), зависимость значений тепловых и механических характеристик материала ствола от температуры и давления, кратковременность и интенсивность тепловых процессов, разнообразие и взаимосвязанность процессов теплообмена, а также возникновение нестационарного напряженно-деформированного состояния ствола от действия температуры и давления пороховых газов.

Разработана конечно-разностная методика решения уравнений термодинамической модели с выходом на определение технологических факторов - ско-рости снаряда и причин, вызывающих напряженно-деформированное состояние - давления как функции времени и пространства и поля температур ствола.

Численное решение разработанной комплексной модели позволило провести теоретические исследования и сделать практические рекомендации по выбору рациональной длины и массы разгоняемого снаряда для ствола фиксированного диаметра. Проанализировано влияние давления форсирования, величины зазора между стенками ствола и снарядом, плотности заряжания на дульную скорость снаряда и коэффициент полезного действия, а также даны рекомендации по баллистическому проектированию энергетических узлов пресс-пушек.

Проанализирован процесс разогрева ствола (энергетического узла) при единичном выстреле и циклической работе установки.

Дана оценка эквивалентных напряжений, возникающих в стволе пресс-пушки для гидродинамической штамповки от действия полей давлений и температур.

Разработана инженерная методика проектировочного расчета с использованием статического подхода с учетом и без учета поля температур, позволяющая с достаточно высокой точностью прогнозировать прочность ствола, а также определять потребную толщину его стенок.

Результаты работы в виде рекомендаций по проектированию и выбору рациональных параметров и режимов энергетических узлов пресс-пушек для гидродинамической штамповки приняты к использованию на ОАО “Мотор Сич” и предприятии “ХАИ-Сервис”.

Ключевые слова: пресс-пушка, гидродинамическая штамповка, энергетический узел, математическое моделирование, энергетическая характеристика, баллистическое проектирование, напряженно-деформированное состояние, прочность.



Pavlenko V.N. Perfection of structural parameters and technological characteristics of power units of press gun for hydrodynamic stamping. - Manuscript.

Dissertation for the scientific degree of Candidate of technical sciences according to specialty 05.03.05 - processes and machines of pressure shaping. Donbass State Machine-Building Academy, Kramatorsk, 2002.

Dissertation is devoted to material capacity reducing, increasing effectiveness of energy sources application, decreasing power units design expanses based on development of mathematical modeling methods and working out design recommendation for rational structural parameters and technical characteristics of power units of press gun for hydrodynamic stamping.

Complex mathematical model of thermodynamic processes, taking place in the system “barrel-charge-barrel”, and model, describing barrel dynamic deformation process under applied loads are worked out in the thesis. Practical recommendations for choosing rational shell length and mass, forcing pressure, gap value between barrel wall and shell, charge densities are resulted. Process of barrel heating at press gun working is analyzed. Estimation of equivalent stress, occurring in the barrel, is worked up. Design engineering method, which permits to predict barrel strength with high precision and to determine barrel wall thickness, is worked out.

Thesis results are applied on the “Motor Sich” joint stock company and “Khai-Service” enterprise in the form of design recommendations and recommendations for rational parameters choosing.

Key words: press gun, hydrodynamic stamping, power unit, mathematical modeling, energy characteristics, ballistics design, stress-strain state, strength.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток сучасного машинобудування йде шляхом створення техніки, що характеризується істотно зрослими ресурсом і надійністю щодо експлуатації, зниженням трудо- та металомісткості у виробництві. Це найбільш актуально для авіаційно-космічної техніки, подальший прогрес в якій є можливим тільки на основі впровадження нових конструктивних рішень, використання високоміцних матеріалів, що інколи важко деформуються, спеці-альних технологічних процесів та обладнання.

Використання у виробництві авіаційної техніки високоміцних матеріалів з покращеними та спеціальними характеристиками, підвищені вимоги щодо якості, точності та надійності виробів, часте оновлення та удосконалення конструкцій виробів і як слідство - дрібносерійний характер виробництва зумовили використання обладнання для імпульсної безвідхідної обробки металевих заготовок, зокрема прес-гармат (ПГ) для гідродинамічного штампування (ГДШ). Однак подальший розвиток цього напрямку стримується недостатньою вивченістю динамічних процесів, що відбуваються в енергетичних вузлах, і відсутністю достатньо повних методик розрахунку та проектування вузлів цього обладнання.

Найбільш навантаженим елементом таких конструкцій, який визначає багато які параметри технологічного процесу, є енергетичний вузол ствольного типу.

Основними факторами, що впливають на формозміну заготовки, є амплітуда й тривалість навантаження, які визначаються масою снаряда і швидкістю його співударяння з передавальним середовищем. Тому при створенні універсального обладнання, на якому можна реалізувати технологічні процеси виготовлення деталей різноманітної номенклатури, вельми актуальними є необхідність розглянути питання, пов'язані з підбором раціональних параметрів пострілу, щоб забезпечити необхідну швидкість при заданій масі снаряда, виходячи з вимог техпроцесу, та розробка рекомендацій до вибору геометричних параметрів і технічних характеристик енергетичного вузла. Тобто виникає необхідність математичного моделювання процесів в енергетичному вузлі устаткування імпульсної дії.

Треба відзначити недостатню вивченість процесів і станів у стволах і робочих камерах енергетичних вузлів, щодо проектування та вибору раціональних параметрів внаслідок чого стволи переобважнілі, а техніко-економічні показники техпроцесів далекі від досконалості.

Існуючий підхід до дослідження процесів у стволах, а також їх міцності, суттєво емпіричний і орієнтований на вивчення вже створеного устаткування. Він дозволяє лише констатувати існуючі рівні параметрів технологічних процесів. Принципово неможливо лише на основі досвіду обґрунтувати та досягти раціональних значень техніко-експлуатаційних характеристик. У зв'язку з цим актуальною є розробка розрахункових методів дослідження, визначення раціональних параметрів процесу пострілу, а також зусиль і напружень в основних вузлах конструкцій, які б забезпечили необхідну надійність обладнання щодо умов імпульсного навантаження й дозволили б якщо не запобігти, то значно скоротити обсяг робіт з експериментального випробування конструкторських і технологічних рішень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано в межах держбюджетних науково-дослідних робіт за такими темами Міністерства освіти і науки України: Г 107-12/96, “Побудування методології автоматизованого аналізу та синтезу авіаційних технологічних систем” № 0198U001614; Г 107-5/97, “Математичне моделювання технологічних систем імпульсного формоутворення елементів авіаційних конструкцій” № 0198U001590; Г 107-06/00, “Математичне моделювання процесу формоутворення вісесиметричних деталей авіаційно-космічної техніки й технологічного обладнання в умовах імпульсного деформування” № 0100U002195 .

Мета й задачі дослідження. Метою роботи є зниження матеріаломісткості, підвищення ефективності використання енергоресурсів і зменшення витрат на проектування енергетичних вузлів на основі розвитку методів математичного моделювання та розробки рекомендацій щодо вибору раціональних параметрів енергетичних вузлів прес-гармат для гідродинамічного штампування.

Для досягнення цієї мети в роботі поставлено та вирішено такі основні задачі:

-удосконалювання математичних моделей, які описують поведінку енергетичного вузла у процесі експлуатації прес-гармати для гідродинамічного штампування;

-розробка математичної моделі термодинамічних процесів, що протікають у системі “ствол-набій-снаряд”, яка враховує основні особливості цих процесів: природу енергоносія, наявність масо-енергетичних втрат, опір рухові поршня, форсування тиску, конвективно-радіаційний характер теплообміну стінок ствола та снаряда з робочим тілом (пороховими газами), залежність значень теплових і механічних характеристик матеріалу ствола від температури й тиску, короткочасність та інтенсивність теплових процесів, різноманітність і взаємозалежність процесів теплообміну;

-розробка комплексу програмних засобів для автоматизованого розрахунку процесів, які протікають в енерговузлі ПГ під час пострілу, для визначення кількості енергії, що є у розпорядженні, параметрів напружено-деформованого стану (НДС) і міцності ствола, виходячи з одержаних полів температур і тисків;

-дослідження НДС ствола в умовах комплексної термомеханічної дії;

-дослідження впливу конструктивних параметрів, масово-енергетичних втрат, тиску форсування на проектні та експлуатаційні характеристики енергетичного вузла - швидкість і масу снаряда, діаметр і довжину ствола, коефіцієнт корисної дії (ККД) і міцність;

-розробити рекомендації до балістичного проектування та розрахунків міцності енергетичних вузлів технологічного обладнання з урахуванням комплексу складних термомеханічних процесів з метою одержання раціональних параметрів.

Об'єкт дослідження - енергетичні вузли прес-гармати для гідродинамічного штампування.

Предмет дослідження - процеси, що відбуваються в енергетичному вузлі ПГ, а також конструктивні параметри та технічні характеристики енергетичних вузлів ПГ для ГДШ.

Методи дослідження - термодинамічні і механічні процеси, що відбуваються в енергетичному вузлі теоретично досліджені на основі методів термодинаміки, теплопровідності та механіки твердого тіла, що деформується, з використанням сучасних програмних обчислювальних комплексів.

Наукова новизна одержаних результатів. Серед основних положень і розробок, наведених у дисертації, новими для науки і практики є такі:

-розроблено і обґрунтовано математичну модель енергетичного вузла прес-гармати для гідродинамічного штампування, яка описує процеси горіння пороху, розширення продуктів згоряння, витікання порохових газів через проміжок, розгону снаряда, радіаційно-конвективного теплообміну продуктів згоряння зі стволом і снарядом, розповсюдження тепла у стволі, а також виникнення нестаціонарного напружено-деформованого стану ствола від дії температури й тиску порохових газів, тобто модель, яка дозволить перейти від натурного експерименту до математичного моделювання;

-встановлено закономірності взаємного впливу основних параметрів енергетичного вузла: маси набою й тиску форсування, калібру й довжини ствола, маси й швидкості снаряда, тиску й температури газів, енергетичних втрат і ККД;

-внаслідок досліджень доведено, що при розрахунку НДС ствола, який обумовлено дією перемінних за часом й у просторі тисків і температур, нема необхідності враховувати термопружні напруження як при одиничному пострілі, так і при серійній роботі прес-гармати;

-обґрунтовано практичну методику розрахунку на міцність енергетичних вузлів технологічного обладнання з урахуванням комплексу складних термомеханічних процесів з метою одержання раціональних параметрів і надано рекомендації щодо удосконалення конструктивних показників і технічних характеристик енергетичних вузлів.

Практичне значення одержаних результатів. Практична цінність ди-сертаційної роботи полягає у досягненні таких основних результатів:

-використання методики математичного моделювання та рекомендацій стосовно раціонального вибору параметрів енергетичного вузла ПГ дозволяє забезпечити необхідні технологічні властивості, зменшити металомісткість обладнання та мінімізувати енергетичні витрати як на етапі проектування за рахунок заміни експериментальних довідних робіт чисельним експериментом, так і в процесі експлуатації при переході до випуску нового виробу шляхом скорочення часу підготовки виробництва;

-за рахунок більш високої достовірності результатів розрахунку за запропонованою методикою зростає надійність роботи обладнання, знижується імовірність виходу його з ладу та збільшується час між профілактичними роботами;

-методика може бути застосована при проектуванні інших імпульсних теплових машин.

Одержані результати досліджень і практичні рекомендації було використано при підготовці виробництва у ВАТ “Мотор Січ” (акт використання від 20 лютого 2002 р.), а розроблену математичну модель - при проектуванні машин імпульсної дії на підприємстві “ХАІ-Сервіс” (акт використання від 15 травня 2002 р.).

Особистий внесок здобувача до розробки наукових результатів дисертації полягає в тому, що автор самостійно виконав усі теоретичні дослідження, які складають основу дисертаційної роботи, й розробив практичні рекомендації щодо вибору раціональних проектних та експлуатаційних параметрів енергетичних вузлів прес-гармат.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи докладено і обговорено на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жу-ковського “ХАІ” (м. Харків, 1999-2001 рр.); на IV конгресі двигунобудівників України (с. Рибаче, 1999 р.); на міжнародній науково-технічній конференції “Прикладні задачі механіки та тепломасообміну в авіабудуванні” (м. Воронеж, 2000 р.); на міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми та перспективи розвитку процесів і машин обробки тиском” (м. Краматорськ, ДДМА, 2002 р.).

Дисертаційну роботу в повному обсязі докладено і обговорено на розширеному науковому семінарі кафедри “Технологія виробництва літальних апаратів” Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” (2002 р.), а також на розширеному науковому семінарі кафедри “Обробка металів тиском” ДДМА (2002 р).

Публікації. Основний зміст роботи опубліковано у пўяти статтях, з них чотири - у чотирьох спеціалізованих виданнях з науково-технічної тематики.

Структура і обўєм дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків і додатків. Повний обсяг дисертації - 152 сторінки машинописного тексту, в тому числі 130 сторінок основного тексту, 5 рисунків на 3 сторінках, 2 таблиці на 7 сторінках, 1 додаток на 3 сторінках та список використаних джерел з 104 найменувань на 9 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обґрунтовано вибір та актуальність теми дослідження, сформульовано мету роботи й намічено шляхи її досягнення, показано звўязок роботи з науковими темами. Наведено характеристику наукової новизни й практичного значення одержаних результатів, а також відомості щодо впровадження, апробації, публікацій по темі дисертації та її структури.

У першому розділі наведено огляд літератури, присвяченої дослідженню енергетичних вузлів прес-гармат для гідродинамічного штампування. Прес-гармати відносяться до обладнання імпульсної безвідхідної обробки металевих заготовок. Питанням проектування та створення цього обладнання, а також розробці відповідних технологічних процесів, присвячено роботи шкіл Р.В. Піхтовникова, В.Г. Кононенка, Ю.М. Алексєєва, В.К. Борисевича, А.І. Зи-міна та ін. Однак подальша експлуатація цього обладнання й розробка нових технологічних процесів для нього неможливі без удосконалення методик розрахунку, підвищення ступеня компўютерізації проектно-технологічних робіт, переходу від натурного експерименту до математичного моделювання.

При створенні нового обладнання для гідродинамічного штампування або при переході на нові вироби найбільш важливим є вміння задавати (без створення дослідних зразків обладнання) рівень енергоозброєнності й виконувати розрахунок енергетичного вузла на динамічні навантаження, щоб оцінити безпечність експлуатації. У звўязку з цим значний інтерес викликає застосування розрахункових методів визначення раціональних параметрів енергетичного вузла, які забезпечують необхідну надійність обладнання в умовах імпульсного навантаження й дозволяють якщо не запобігти, то значно скоротити обсяг робіт з експериментальної перевірки конструкторських рішень.

Застосування існуючих методів дозволяє лише орієнтовно оцінити енергоозброєність, а тим більше надійність створюваних конструкцій. У більшості випадків задачу вирішують шляхом експериментального доведення у процесі проектування. Таке рішення має частковий характер і справедливе для конкретної установки, змінення ж параметрів прес-гармати вимагає додаткової експериментальної перевірки. Слід також відзначити, що розглянуті теоретичні дослідження процесу розгону снаряда ґрунтуються на низці припущень і розрізненості моделей, які описують процес пострілу, але не дають можливості одержати єдине замкнуте рішення , яке дозволить оцінити динамічну поведінку конструкції ствола прес-гармати з урахуванням комплексу процесів, що відбуваються в енергетичному вузлі; врахувати весь комплекс масово-енергетичних втрат при пострілі; врахувати конструктивні особливості ствольних систем і природу енергоносія; дослідити НДС і міцність стволів, використовуючи дані про сумісні дії тисків і поля температур, що одночасно змінюються.

В літературних джерелах також відсутні обґрунтовані рекомендації стосовно раціонального проектування й вибору основних параметрів енергетичних вузлів з урахуванням вимог до конкретного технологічного процесу.

Таким чином, аналіз публікацій свідчить, що для дослідження взаємозвўязаних процесів, що протікають в енергетичному вузлі, й визначення основних параметрів технологічного процесу (швидкість і маса снаряда), а також факторів, що викликають НДС ствола прес-гармати (тиск порохових газів і поле температур у стволі), необхідно розробити єдину модель, яка описує особливості процесу пострілу.

Другий розділ дисертації присвячено постановці комплексної математичної задачі, яка описує основні процеси, що відбуваються в енергетичному вузлі прес-гармати для гідродинамічного штампування, й розробці методики вирішення сформульованої задачі.

Аналіз явищ у стволі, а також типових процесів в енергетичних вузлах прес-гармат при пострілі, серед яких можна відзначити горіння з виділенням енергії, рух снаряда, витікання газів, теплообмін, у результаті якого енергія газу зменшується і нагрівається ствол, деформування ствола під дією зміненого за часом і у просторі тиску й нерівномірного нестаціонарного нагрівання, дозволили сформувати комплексну математичну модель термодинамічних процесів, що протікають у системі “ствол-набій-снаряд”, і модель визначення НДС ствола.

Джерелом руху снаряда є енергія газу в позаснарядному обўємі, яку може бути підведено подачею стиснутого газу із заданими параметрами, спалюванням газоповітряної суміші або пороху. Останній спосіб можна вважати найбільш загальним.

Якщо джерелом енергії руху снаряда прийнято нітрогліцериновий порох, то змінювання маси продуктів згоряння описується рівнянням

,(1)

де - маса порохових газів, які утворюються; - час; - маса порохового набою; - параметр швидкості горіння порохового набою; - геометричні розміри частки пороху в момент запалювання;

площина поверхні горіння;

поточні геометричні розміри частки пороху.

При використанні як енергоносія стиснутого газу або газоповітряної суміші вираз (1) у розробленій математичній моделі слід замінити відповідним рівнянням.

Як вираз стану продуктів згоряння прийнято рівняння Ван-дер-Ваальса стосовно стану реальних газів:

,(2)



де - тиск порохових газів у камері згоряння; - абсолютна температура продуктів згоряння; - повний обўєм позаснарядної камери.

Маса газу, що знаходиться у позаснарядній камері, є змінною величиною і її може бути визначено такою залежністю:

,(3)

де - початкова маса газу в позаснарядній камері; - маса втрат газу.

У критичному режимі масова швидкість витікання газів через проміжок визначається співвідношенням

,(4)

де - площина перерізу проміжку; - стала адіабати; - координата, що визначає положення снаряда у стволі.

Переміщення снаряда під дією порохових газів описується рівнянням динаміки поступового руху твердого тіла:

,(5)

де - маса снаряда; - атмосферний тиск; - сила тертя.

Енергетичний баланс процесів горіння набою, розширення продуктів згоряння й руху снаряда, витікання через проміжки, а також теплообміну продуктів згоряння з тілом ствола, описується рівнянням збереження енергії у диференціальній формі:

,(6)

де - теплова енергія, що утворюється при горінні порохового набою; - повна зміна внутрішньої енергії; - робота розширення газів; - втрата внутрішньої енергії, повўязана з масовим витіканням газів через проміжок;

зміна кінетичної енергії снаряда; - втрата енергії на пружне деформування ствола; - повний потік тепла з камери до тіл ствола й снаряда за рахунок теплообміну, що має конвективно-радіаційний характер.

Під дією теплових потоків на внутрішню поверхню ствола виникає неоднорідне нестаціонарне поле температур, яке описується законом теплопровідності Фурўє:

,(7)

де - температура поверхні ствола; - коефіцієнти теплопровідності та теплоємності, які залежать від температури ствола.

Спільна дія нестаціонарних полів температур і тисків у каналі ствола викликає нерівномірне його деформування, тобто

;

,(8)

де - переміщення уздовж координат і ; - лапласіан; - обўємне розширення; - коефіцієнт Пуассона; - модуль пружності другого роду; - коефіцієнт температурного розширення матеріалу ствола.

Фізична нелінійність розробленої багатопараметричної моделі робить неможливим її аналітичне рішення. Тому одержану систему інтегро-диференціальних рівнянь (1) - (8) може бути вирішено тільки чисельним методом. Для цього застосовано метод скінченних різниць і неявний метод скінченних різниць у формі економічних схем Самарського (для вирішення рівнянь теплопровідності). Для чисельного визначення НДС ствола використано метод скінченних елементів.

На основі застосування цих методів розроблено скінченно-різницеву методику вирішення рівнянь термодинамічної моделі, яка дозволяє у комплексі вирішувати задачі термодинаміки та теплопровідності з виходом на визначення технологічних факторів - швидкості снаряда, а також тих, що викликають НДС - тиску як функції часу й простору та поля температур у матеріалі ствола.

Порівняння результатів теоретичного аналізу з експериментальними даними, наведеними в працях ХАІ, показує, що збіг результатів (максимальний тиск у позаснарядній камері, дульна швидкість снаряда) знаходиться в межах 7%.

У третьому розділі наведено теоретичне дослідження енергетичних вузлів прес-гармат на базі розробленої у другому розділі комплексної математичної моделі термодинамічних процесів і сформульовано рекомендації щодо балістичного проектування енергетичних вузлів ПГ.

Загальні закономірності зміни основних параметрів процесу - тиску й температури порохових газів, а також руху снаряда та зміни його швидкості.

Внаслідок аналізу впливу на енергетичні властивості ПГ довжини ствола й маси снаряда з урахуванням маси набою, діаметра ствола та інших параметрів (матеріалоємність, габарити) одержано рекомендації щодо вибору їх раціональних значень.

Розрахунок енергетичного потенціалу ПГ показує, що розгін снаряда у стволі до швидкості на 10% меншої, ніж максимально досяжна, при заданих значеннях мас набою, та снаряда, довжини та калібру ствола веде до зменшення ККД установки на 10 ... 20%. Однак цю швидкість можна реалізувати у стволі, довжина, якого у 3,28 ... 5,86 рази менше довжини ствола, в якому можна розігнати снаряд до максимальної швидкості, (рис. 6, 7, де 1 -; 2 - 0,95Ч; 3 - 0,9Ч).

На основі цього, а також залежності довжини ствола від маси набою при постійному діаметрі й змінних значеннях маси снаряда (рис.8, де d=0,1 м, 1 - МС= 4кг; 2 - МС = 6кг; 3 - МС = 8кг; 4 - МС = 10 кг), й залежності довжини ствола від маси набою при розгоні снаряда однієї маси у стволах різного діаметра (рис.9, де МС=8кг; 1 - d=0,08; 2 - d=0,1м; 3 - d=0,12м) було визначено раціональну довжину ствола. При діаметрі ствола 0,06 м і більше вона повинна складати 6...12 калібрів ствола; при діаметрі менше ніж 0,06 м - 12 ... 18 калібрів.

Поряд з раціональною довжиною ствола визначено раціональні маси снарядів. Як параметр, що визначає масу снаряда, вибрано його довжину, яка є функцією діаметра ствола й дорівнює 1,5 ... 2,5 калібрам при діаметрах 0,06 м і більше, 2,5 ... 3,5 калібрам, коли діаметр ствола менше ніж 0,06 м.

Основною енергетичною характеристикою ПГ є кінетична енергія снаряда на вильоті його з ствола в залежності від маси порохового набою. Залежно від виконуваного технологічного процесу можна досягти потрібної кінетичної енергії розгоном легкого снаряда до великої швидкості, при цьому тиск, що діє в технологічній зоні, буде високим на протязі короткого проміжку часу, або розгоном важкого снаряда до меншої швидкості. У цьому разі тиск у технологічній зоні буде меншим, але час його дії довшим.

Зі збільшенням маси снаряда інерція його також збільшується, а прискорення на початковому етапі руху - зменшується, тому зростає швидкість збільшення тиску у позаснарядній камері та його максимальна величина. Залежність максимального тиску в позаснарядній камері від маси снаряда (1 - МЗ=0,02кг; 2 - МЗ=0,03кг; 3 - МЗ=0,04кг; 4 - МЗ=0,05кг).

Як видно, імпульс тиску зростає при переході від легкого снаряда до більш важкого. При цьому максимальну величину тиску обмежено міцністю матеріалу ствола.

Результати виконаних досліджень показали, що для розширення можливостей енергетичного вузла (збільшення діапазону мас снарядів, що використо-вуються) необхідно форсування тиску. Це найбільш важливо при розгоні легкого снаряда у стволі, пристосованому для більш важких снарядів. Оскільки легкий снаряд має малу інерцію, то у позаснарядній камері не може розвинутись високий тиск, а у цьому випадку потрібен ствол більшої довжини. Форсування ж дозволяє підвищити тиск, інтенсифікувати горіння набою й тим збільшити дульну швидкість і ККД.

Раціональну величину тиску форсування вибрано не тільки за умов досягнення снарядом максимально можливої швидкості та високого ККД установки, але й забезпечення міцності енергетичного вузла. За результатами дослідження прийнято, що форсуючий звўязок потрібно ліквідувати (зруйнувати) при тиску 10 ... 50 МПа.

Величина щільності заряджання для одержання оптимальних енергетичних характеристик повинна складати 0,4 ... 0,55 кг/дм3. При щільності менш ніж 0,4 кг/дм3 маса порохового набою використовується нераціонально (низький ККД установки).

Також доведено, що при математичному моделюванні балістичних процесів у стволі витратами енергії на пружне деформування ствола можна знехтувати.

На основі розроблених практичних рекомендацій до балістичного проектування енергетичних вузлів запропоновано низку конструкцій, в яких можна реалізувати кінетичну енергію в діапазоні від 1,4 до 205 кДж, змінюючи маси набою та снаряда.

У четвертому розділі наведено теоретичні дослідження нагріву ствола в процесі одноразового пострілу й при циклічній роботі установки. Визначено внесок кожного з факторів (тиску та температури) у напружений стан ствола й виконано відповідний аналіз.

Як показали проведені дослідження, процес пострілу у стволі ПГ й проміжок часу, на протязі якого ствол одержав тепло, характеризуються короткочасністю і вимірюються для кожного окремого пострілу проміжками часу від 5 до 30 мс. Завдяки короткій дії пострілу температура порохових газів сприймається лише тонкими шарами металу, прилеглими до поверхні каналу ствола, з наступною віддачею тепла, (рис.12, де 1-=0,04 м; 2-=0,0402 м; 3-=0,04045 м; 4-=0,04072 м). Тому нема необхідності враховувати зміну механічних характеристик матеріалу ствола при змінюванні температури.

При циклічній роботі установки з довжиною циклу 120 с і більше ствол встигає майже повністю прохолонути до наступного пострілу.

За рахунок градієнта температур у примежовому шарі виникають стискуючі температурні напруження невисокого рівня, які не справляють суттєвого впливу на загальний напружений стан ствола. Однак виконання динамічного розрахунку без урахування напружень від поля температур при поодинокому пострілі формально веде до збільшення запасу міцності ствола. Розподіл максимальних еквівалентних напружень уздовж радіуса ствола, розрахованих за енергетичним критерієм Мізеса-Хілла (1 - статичний розрахунок без урахування температурних напружень, 2- динамічний розрахунок з урахуванням температурних напружень, 3 - те ж без урахування).

Наведено розроблену інженерну методику проектувального розрахунку з використанням статичного підходу як з урахуванням поля температур, так і без нього, яка дозволяє з достатньо високою точністю прогнозувати міцність ствола, а також визначати необхідну товщину його стінок. Цю методику засновано на переході від динамічного розрахунку напружень до статичного при одиночному пострілі за рахунок урахування динамічної поведінки конструкції під дією прикладених навантажень введенням коефіцієнта динамічності, який можна визначити за формулою

,(9)

де - коефіцієнт динамічності; - максимальні еквівалентні динамічні напруження в стінці ствола, розраховані з урахуванням дії полів тисків і температур; - максимальні еквівалентні статичні напруження в стінці ствола , розраховані від дії тільки поля тисків порохових газів.

Визначено радіальні переміщення внутрішньої поверхні ствола розроблених енергетичних вузлів від дії полів тисків і температур. Вони не перевищують граничних значень відхилень розмірів при виготовленні, тобто помітного зниження ККД енергетичного вузла не відбувається.

Виконано перевірочний розрахунок на міцність розроблених енергетичних вузлів при заданій кінетичній енергії.

Як показали дослідження, розрахунок НДС при одиничному пострілі без урахування температурних напружень є цілком правомірним.



ВИСНОВКИ

В дисертації виконано нові, обґрунтовані науковими положеннями, розробки, які забезпечили вирішення актуальної науково-технічної задачі - розширення можливостей прес-гармат для гідродинамічного штампування за рахунок розробки рекомендацій до вибору раціональних конструктивних параметрів і технічних характеристик енергетичних вузлів цього обладнання, а також економії матеріальних ресурсів шляхом заміни більшої частини натурного експерименту математичним моделюванням з урахуванням розроблених рекомендацій.

1.Відомі методики дослідження процесів і міцності енергетичних вузлів прес-гармат не враховують всіх особливостей протікаючих процесів і тому за їх допомогою неможливо одержати раціональні значення проектних та експлуатаційних характеристик такого обладнання.

2.Розроблено комплексну математичну модель термодинамічних процесів, що відбуваються в системі “ствол-набій-снаряд” і модель, яка описує процес динамічного деформування ствола під дією прикладених навантажень. Ці моделі враховують природу енергоносія, наявність масо-енергетичних втрат, форсування тиску, конвективно-радіаційний характер теплообміну снаряда та стінок ствола з робочим тілом (газом), залежність значень теплових і механічних характеристик матеріалу ствола від температури й тиску, короткочасність та інтенсивність теплових процесів, різноманітність та взаємозвўязаність процесів теплообміну, а також виникнення нестаціонарного напружено-деформованого стану ствола від дії температури та тиску порохових газів.

3.Запропоновану модель можна використати для опису процесів руху снаряда за рахунок горіння пороху, розширення попередньо стиснутого газу або згоряння газового заряду. Модель описує процеси при одно- й багаторазовому режимах роботи прес-гармати для гідродинамічного штампування. Розроблену математичну модель і методику її чисельного рішення підтверджено з достатньою достовірністю низкою експериментальних досліджень.

4.Розроблено скінченно-різницеву методику вирішення рівнянь термодинамічної моделі з виходом на визначення технологічного фактора - швидкості снаряда й тих, що викликають НДС - тиску як функції часу та простору, а також поля температур ствола.

5.Проведено дослідження взаємозвўязаних параметрів енергетичних вузлів: маси набою й тиску форсування, калібру й довжини ствола, маси й швидкості снаряда, тиску й температури газів, енергетичних втрат і ККД; встановлено основні закономірності їх впливу на енергетичні можливості установки; визначено раціональні значення цих параметрів, зокрема:

-при діаметрі ствола 0,06 м і більше раціональна довжина повинна складати 6 … 12 калібрів при розгоні в ньому снарядів, довжина яких дорівнює 1,5...2,5 калібру, а при діаметрі, меншому ніж 0,06 м, раціональна довжина складає 12 … 18 калібрів при розгоні снарядів довжиною 2,5...3,5 калібру;

-для досягнення високого балістичного ефекту енергетичних вузлів ПГ необхідно використовувати форсуючі звўязки, які дозволять реалізувати тиск форсування в інтервалі 10 ... 50 МПа.

-щільність зарядження при наявності тиску форсування - 0,4 ... 0,5 кг/дм3; без нього - 0,4 ... 0,55 кг/дм3;

-величина проміжку між стінками ствола й снаряда повинна дорівнювати 0,065 ... 0,25 мм для діаметрів ствола 0,03Јd<0,06 м і 0,145 ... 1 мм для діаметрів 0,06ЈdЈ0,12 м.

6.На основі практичних рекомендацій виконано балістичне проектування нових енергетичних вузлів з енергоозброєністю від 1,4 до 205 кДж.

7.Результуючі еквівалентні напруження від спільної дії полів температур і тисків на внутрішній поверхні ствола менші ніж еквівалентні напруження, викликані тиском порохових газів, на величину температурних напружень. Проведення динамічного розрахунку без урахування напружень від поля температур при поодинокому пострілі формально незначно збільшує запас міцності ствола. На основі цього розроблено інженерну методику проектувального розрахунку товщини стінки ствола з використанням статичного підходу та коефіцієнта динамічності, який визначено в роботі.

8.Результати досліджень у вигляді рекомендацій до проектування й вибору раціональних параметрів і режимів енергетичних вузлів прес-гармат для гідродинамічного штампування прийнято до використання ВАТ “Мотор Січ” і підприємством “ХАІ-Сервіс”.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.Кривцов В.С., Нарыжный А.Г., Павленко В.Н. Математическая модель напряженно-деформированного состояния и термодинамических процессов ствола технологической пресс-пушки // Авиационно-космическая техника и технология -Харьков: Гос. аэрокосмич. ун-т. “ХАИ”, 1998. -Вып. 6. -С. 104-108.

2.Павленко В.Н., Миронов М.Ю. Методика решения начально-краевой задачи по определению тепловых полей и напряженно-деформированного состояния технологической пресс-пушки // Авиационно-космическая техника и технология -Харьков: Гос. аэрокосмич. ун-т. “ХАИ”, 1999. -Вып. 9. -С. 411-414.

3.Павленко В.Н., Сапрыкин В.Н. Исследование энергетических возможностей технологических пресс-пушек. // Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов. Сб. науч. трудов. Нац. аэрокосмич. ун-та им. Н.Е. Жуковского “ХАИ”. - Харьков, 2000.- Вып.23(6) С.55-58.

4.Павленко В.Н. Расчет поля температур в стволе технологической пресс-пушки. // Труды международной научно-технической конференции “Прикладные задачи механики и тепломассообмена в авиастроении”. Часть 1. - Воронеж, ВГТУ. - 2000. - С. 76 - 80.

5.Павленко В.Н. Определение рациональной длины ствола технологической пресс-пушки. //Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов. - Сб. науч. трудов. Нац. аэрокосмич. ун-та им. Н.Е. Жуковского “ХАИ”. - Харьков. - 2001.- Вып. 27(4) - С.74-80.

Размещено на Allbest.ru

...