Прогнозування експлуатаційних змін технічного стану клапанів з електромагнітним приводом при проектуванні

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний Технічний Університет України

"Київський політехнічний інститут"

УДК 621.646:629.735.03

Спеціальність: 05.02.02 - машинознавство

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Прогнозування експлуатаційних змін технічного стану клапанів з електромагнітним приводом при проектуванні

Ситніков Олександр Євгенійович

Київ - 2008

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Київському центральному конструкторському бюро арматуробудування Міністерства промислової політики України і на кафедрі гідрогазових систем Національного авіаційного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Зайончковський Геннадій Йосипович, Національний авіаційний університет, завідувач кафедри гідрогазових систем

Офіційні опоненти:

доктор технічний наук, професор Струтинський Василь Борисович, Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут",завідувач кафедри конструювання верстатів та машин

кандидат технічних наук, доцент Переяславський Олексій Миколайович, Вінницький державний аграрний університет, доцент кафедри машин та обладнання сільськогосподарського виробництва

Захист дисертації відбудеться "15" квітня 2008 р. о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.11 у Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" за адресою: 03056, м. Київ, пр. Перемоги, 37, корпус №1, ауд. 214.

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" за адресою: 03056, м. Київ, пр. Перемоги, 37.

Автореферат розісланий "06" березня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук, професор Майборода В.С.

Анотації

Ситніков О.Є. Прогнозування експлуатаційних змін технічного стану клапанів з електромагнітним приводом при проектуванні. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.02 - машинознавство. - Київ, 2007.

Дисертація присвячена розробці наукових основ і практичних рекомендацій з прогнозування на етапі проектування можливих експлуатаційних змін технічного стану електромагнітних клапанів (ЕМК) в процесі відпрацювання ресурсу.

Приведено класифікацію малогабаритних ЕМК, що застосовуються в системах обладнання ЛА. Виявлено особливості експлуатаційних навантажень і основних деградаційних процесів, що призводять до суттєвих змін технічного стану ЕМК і визначають їх ресурсні можливості.

Експериментальним шляхом визначено характер і інтенсивність змін основних структурних і функціональних параметрів клапанів розглянутих типів від кількості циклів напрацювання. Розроблено теоретичні основи моделювання експлуатаційних змін технічного стану ЕМК з використанням імовірнісної моделі накопичення пошкоджень в елементах і вузлах ЕМК. Розроблено математичні моделі і на їх основі відповідні методики прогнозування зміни структурних і функціональних параметрів ЕМК з використанням методу найменших квадратів, методу екстраполяції і методу направленої селекції. Розроблено методику визначення ресурсу ЕМК на підставі аналізу наявних в елементах клапана випадкових процесів пошкоджуваності з урахуванням діючих навантажень і характеристик міцності матеріалів деталей. Виявлено, що наробіток ЕМК з приводом типу ДШВ до відмови внаслідок втомного руйнування шийки штока залежить від питомої кінетичної енергії переміщення рухомої системи приводу. На основі експериментальних досліджень розроблено методику прогнозування показників безвідмовності ЕМК з використанням енергетичних критеріїв.

Основні результати досліджень впроваджено в практику проектування ЕМК в Київському центральному конструкторському бюро арматуробудування.

Ключеві слова: клапан з електромагнітним приводом, прогнозування, технічний стан, деградаційні процеси, надійність, ресурс.

Ситников А.Е. Прогнозирование эксплуатационных изменений технического состояния клапанов с электромагнитным приводом при проектировании. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.02.02 - машиноведение. - Киев, 2007.

Диссертация посвящена разработке научных основ и практических рекомендаций по прогнозированию на этапе проектирования возможных эксплуатационных изменений технического состояния электромагнитных клапанов (ЭМК) в процессе отработки ресурса.

Приведена классификация малогабаритных ЭМК, которые применяются в системах оборудования ЛА.

Обнаружены особенности эксплуатационных нагрузок и основных деградационных процессов, которые приводят к существенным изменениям технического состояния ЭМК и определяют их ресурсные возможности.

Обнаружено, что между изменениями технического состояния клапана и его функциональными параметрами (ФП) может иметь место один из двух типов связи: I тип, когда в формировании изменений каждого ФП принимает участие большая часть изменений начального состояния элементов (НСЭ) клапана, а, в свою очередь, каждое из изменений НСЭ принимает участие в формировании изменений подавляющей части ФП (таким образом формируется подавляющая часть параметрических отказов клапана); II тип, когда изменения функционального параметра являются следствием одного доминирующего деградационного процесса и вызванного им изменения начального состояния соответствующего элемента клапана.

Экспериментальным путем определены характер и интенсивность изменений основных структурных и функциональных параметров клапанов рассмотренных типов от количества циклов срабатывания.

Разработаны теоретических основы моделирования эксплуатационных изменений технического состояния ЭМК с использованием вероятностной модели накопления повреждений в элементах и узлах ЭМК. Разработаны математические модели и на их основе соответствующие методики прогнозирования изменения структурных и функциональных параметров ЭМК с использованием метода наименьших квадратов, метода экстраполяции и метода направленной селекции. Разработана методика определения ресурса ЭМК на основании анализа имеющихся в элементах клапана случайных процессов повреждаемости с учетом действующих нагрузок и характеристик прочности материалов деталей. Обнаружено, что наработка ЭМК с приводом типа ДТВ до отказа в результате усталостного разрушения шейки штока зависит от удельной кинетической энергии перемещения подвижной системы привода. На основе экспериментальных исследований разработана методика прогнозирования показателей безотказности ЭМК с использованием энергетических критериев.

Основные результаты исследований внедрены в практику проектирования ЭМК в Киевском центральном конструкторском бюро арматуростроения в виде стандарта предприятия СТУ-252:2007 "Методика прогнозирования технического состояния электромагнитных клапанов с приводом ДТВ на этапе проектирования", а также рекомендаций по усовершенствованию конструктивного исполнения отдельных типов ЭМК разработки КЦКБА. деградаційний математичний експлуатаційний

Ключевые слова: клапан с электромагнитным приводом, прогнозирование, техническое состояние, деградационные процессы, надежность, ресурс.

Sitnikov A.E. Forecasting operating changes in the technical state of electromagnetically driven valves at the stage of designing. Manuscript.

The purpose of writing this dissertation is to seek scientific degree of candidate of engineering sciences in specialty 05.02.02 - engineering science. - Kiev, 2007.

The dissertation is devoted to the development of scientific bases and practical recommendations on forecasting possible operating changes in the technical state of electromagnetic valves (EMV) with an electromagnetic drive over resource completion.

A classification of small EMVs used in aircraft systems is presented. It was found out that particular features of operating loads and basic degradation processes which result in substantial changes in the technical state of EMVs and determine their resource possibilities.

In an experimental way the character and intensity of changes of basic structural and functional parameters of valves of considered types have been determined from the number of working cycles. Developed theoretical bases of designing operating changes in the technical state of EMV with the use of probabilistic model of accumulation of damages in elements and units of EMV. Mathematical models have been developed and on their basis proper methods of forecasting change of structural and functional parameters of EMV with the use of least-squares method, method of extrapolation and method of the guided selection. The method of determination of the EMV resource is developed based on the analysis of elements of valve of casual damage processes taking into account the operating loads and description of durability of the elements material. It is discovered that the operation of EMV with the drive of Dual Pushing-Pulling type till failure due to fatigue destruction of the rod neck depends on specific kinetic energy of the drive mobile system motion. On the basis of experimental research the method of forecasting EMV failure-free performance signs has been developed making use of power criteria. The main results of research have been put into practical designing of EMV in the Kiev central design bureau of fittings.

Keywords: valve with an electromagnetic drive, forecasting, technical state, degradation processes, reliability, resource.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Розвиток сучасної авіаційної і космічної техніки (АКТ) вимагає суттєвого скорочення термінів розробки і впровадження нових виробів АКТ. Можливості розробника вистояти у жорсткій конкурентній боротьбі забезпечуються за рахунок скорочення часу і матеріальних витрат на виконання дослідно-конструкторських робіт (ДКР). При цьому залишаються незмінними вимоги до забезпечення необхідного рівня надійності і безвідмовності розробок. Повною мірою ці вимоги відносяться до розробки електромагнітних клапанів (ЕМК) систем обладнання літальних апаратів (ЛА).

Однак традиційні шляхи розробки ЕМК залишаються недостатньо ефективними й вже не відповідають вимогам часу. Потрібно впровадження нових, більш ефективних підходів до їх розробки. Один з таких підходів складається у використанні методів прогнозування можливих експлуатаційних змін технічного стану ЕМК при проектуванні. Таке прогнозування дозволяє:

- виявляти ті експлуатаційні впливи на працездатність клапана, для визначення яких при традиційному підході потрібно проведення довготривалих і витратних ресурсних випробувань;

- виявити можливі порушення працездатного стану клапана, які проявляються досить рідко й не можуть бути виявлені методами ресурсних випробувань через малий обсяг вибірки;

- виявити експлуатаційні фактори та їхні рівні, що найсуттєвіше впливають на зародження й розвиток деградаційних змін в елементах і вузлах клапана;

- визначати елементи конструкції клапана, що лімітують його ресурс;

- своєчасно розробити конкретні заходи щодо вдосконалювання конструкції клапана й забезпечення необхідного рівня його надійності й безвідмовності.

Таким чином можна зробити висновок, що використання прогнозування експлуатаційних змін технічного стану ЕМК при проектуванні дає можливість реалізовувати значну частину заходів щодо вдосконалення конструкції клапана ще на стадії розробки проектної документації. Це дозволяє істотно скоротити час і підвищувати ефективність ДКР сучасних електромагнітних клапанів систем обладнання ЛА. Цим обґрунтовується актуальність проведення даних досліджень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в Київському центральному конструкторському бюро арматуробудування (КЦКБА) і на кафедрі гідрогазових систем Національного авіаційного університету (НАУ) у відповідності з Державною комплексною програмою розвитку авіаційної промисловості України до 2010 року, затвердженою постановою Кабінету Міністрів України від 12 грудня 2001 р. № 1665-25 (держбюджетна НДР НАУ № 5-Ф 1/К 18. "Теоретичні та експериментальні дослідження елементів рідинно-газових систем", 2002 - 2006 рр.) та Програмою реформування (реструктуризації) та розвитку космічної галузі на період до 2008 року, затвердженою постановою Кабінету Міністрів України від 28 жовтня 2004 р. № 1455 (НДР КЦКБА "Експериментальне дослідження меж і запасів працездатності клапанів с електромагнітним приводом", номер державної реєстрації 0106 U011814, 2006 р.).

Мета та задачі досліджень. Метою даної дисертаційної роботи є прогнозування на етапі проектування можливих експлуатаційних змін технічного стану ЕМК систем обладнання ЛА для забезпечення показників безвідмовності та скорочення термінів проведення розробки нових видів клапанів.

Для досягнення зазначеної мети потрібно розв'язати такі задачі:

1. Провести дослідження основних деградаційних процесів, що мають місце під час експлуатації ЕМК; виявити елементи конструкції ЕМК та відповідні експлуатаційні впливи, що обмежують безвідмовність виробів.

2. Розробити механізм формування змін технічного стану ЕМК внаслідок дії експлуатаційних навантажень.

3. Розробити математичні моделі прогнозування можливих експлуатаційних змін технічного стану ЕМК і на їх основі відповідні методики, що враховують особливості й стохастичний характер деградаційних процесів, які мають місце в елементах і вузлах ЕМК в процесі відпрацювання ресурсу.

4. Розробити критерії руйнування від утомленості матеріалів стрижневих елементів ЕМК під дією циклічних імпульсних навантажень.

5. Розробити методику прогнозування показників безвідмовності ЕМК на етапів ескізного проектування з урахуванням статистичних закономірностей експлуатаційних змін функціональних параметрів виробів-аналогів.

6. Провести дослідження з виявлення залежності між напрацюванням до руйнування від утомленості ЕМК з приводом типу ДШВ (двопозиційний штовхаюче-втягуючий) і енергетичними характеристиками ударного контакту елементів приводу клапана під час його спрацьовування. На основі таких досліджень розробити і впровадити у виробництво (як відповідний нормативний документ) методику прогнозування технічного стану ЕМК на етапі проектування.

7. Розробити і впровадити у виробництво рекомендації щодо удосконалення процесу проектування ЕМК систем обладнання ЛА, а також рекомендації щодо конструктивного удосконалення окремих виробів ЕМК розробки КЦКБА.

Об'єкт досліджень - пневматичні клапани з електромагнітним приводом систем обладнання ЛА.

Предмет досліджень - деградаційні процеси, що мають місце під час відпрацювання ЕМК встановлених ресурсів, та їх вплив на технічний стан клапанів і зміну їх функціональних параметрів.

Методи досліджень. В процесі проведення теоретичних досліджень були використані методи теорії надійності, математичної статистики, теорії випадкових функцій, теорії міцності, регресивного аналізу, методи математичного моделювання та прогнозування. При проведенні експериментальних досліджень використовувалися основні положення теорії експериментів і теорії похибок, неруйнівні методи контролю і дефектоскопії, а для обробки експериментальних даних - методи обробки даних і математичної статистики.

Достовірність наукових припущень, положень, висновків і рекомендацій обумовлена використанням фундаментальних законів опору матеріалів, механіки рідини і газу, теорії зношування при задовільному збігу результатів теоретичних і експериментальних досліджень, оброблених з використанням методів теорії ймовірності й математичної статистики.

Наукова новизна отриманих результатів. Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

- вперше за результатами досліджень деградаційних процесів в елементах і вузлах ЕМК розроблено класифікацію і схему формування експлуатаційних змін технічного стану клапанів, які поділено на два типи: тип I, коли у формуванні змін кожного функціонального параметра клапана бере участь одночасно декілька різних деградаційних процесів; тип II, коли зміна технічного стану елементів клапана в основному відбувається під дією одного домінуючого деградаційного процесу;

- вперше встановлено, що напрацювання стрижневих елементів приводу ЕМК до відмови внаслідок руйнування від утомленості залежить від питомої кінетичної енергії переміщення його рухомої системи; з використанням цієї залежності розроблено математичну модель прогнозування показників безвідмовності ЕМК на етапі ескізного проектування;

- для наукового обґрунтування ресурсу і показників безвідмовності ЕМК розроблено удосконалені математичні моделі прогнозування експлуатаційних змін технічного стану клапанів з використанням стохастичної теорії накопичення пошкоджуваностей в їх елементах і вузлах в процесі відпрацювання ресурсу, які відрізняються від використовуваних раніше моделей врахуванням специфіки навантаження і особливостей деградаційних процесів в елементах кінематичного ланцюга клапана;

- вперше отримано експериментальні залежності та рівняння регресії для функціональних параметрів ЕМК різних типів (мат. очікування, дисперсії, коефіцієнта варіації) від кількості циклів напрацювання.

Практичне значення одержаних результатів. Практичну цінність роботи становлять:

- методика прогнозування показників безвідмовності ЕМК на етапі ескізного проектування з урахуванням статистичних закономірностей зміни функціональних параметрів виробів-аналогів;

- рекомендації щодо визначення ресурсних можливостей ЕМК розробки КЦКБА, розроблені на підставі аналізу випадкових процесів накопичення пошкоджуваностей в елементах і вузлах клапанів і особливостей їх експлуатаційних навантажень;

- методика прогнозування експлуатаційних змін ЕМК під час проектування (стандарт підприємства СТУ-252:2007 "Методика прогнозування технічного стану електромагнітних клапанів з приводом ДШВ на етапі проектування");

- рекомендації щодо удосконалення процесу проектування ЕМК;

- перспективний спосіб зменшення динамічних навантажень на елементи двопозиційного електромагнітного клапану;

- рекомендації щодо удосконалення конструкції окремих типів ЕМК розробки КЦКБА, які захищено деклараційними патентами на корисну модель № 4156 від 17.01.2005 р., № 12621 від 15.02.2006 р. і патентом на корисну модуль № 17984 від 03.05.2006 р.

Результати досліджень впроваджено в КЦКБА - головному дослідно-конструкторському бюро України з розробки пневматичної і гідравлічної арматури для систем обладнання АКТ.

Особистий внесок здобувача. Основні положення теоретичних досліджень, розробка програми спеціальних експериментальних ресурсних випробувань клапанів, обробка та аналіз їх результатів, а також розробка методики прогнозування експлуатаційних змін клапанів з електромагнітним приводом при їх проектуванні (стандарту підприємства) виконані безпосередньо здобувачем. Розробка мети і задач досліджень та їх аналіз виконано спільно з науковим керівником. Спеціальні ресурсні випробування клапанів проведено штатними працівниками відділу надійності КЦКБА під безпосереднім керівництвом здобувача.

Апробація результатів дисертаційної роботи. Основні результати роботи доповідалися та обговорювалися на таких науково-технічних конференціях та семінарах: IY, Y, YI і YII Міжнародних науково-технічних конференціях Асоціації спеціалістів промислової гідравліки і пневматики (м. Кіровоград, 2000 р.; м. Вінниця, 2002 р., 2006 р.; м. Львів, 2005 р.; м. Мелітополь, 2007 р.); YII, YIII, IX, X, XI і XII Міжнародних науково-практичних конференціях "Гідроаеромеханіка в інженерній практиці" (м. Київ, 2002 р., 2004 р., 2006 р.; м. Харків, 2003 р.; м. Черкаси 2005 р.; м. Луганськ, 2007 р.); Міжнародній науково-технічній конференції "Промислова гідравліка і пневматика", присвяченій 100-річчу зі дня народження Т.М. Башти (м. Київ, 2004 р.); засіданнях технічної ради КЦКБА (2000 ч 2007 рр.).

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 20 друкованих робіт, в тому числі 1 монографія, 15 статей у провідних фахових виданнях України, 3 патенти України.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається з переліку умовних позначень, вступу, шести розділів основної частини, загальних висновків, списку використаних джерел, що містять 179 найменувань, додатку.

Загальний обсяг дисертації складає 180 сторінок машинописного тексту, в тому числі 83 ілюстрації за текстом, 29 таблиць за текстом, список використаних джерел на 14 сторінках, додаток на 4 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, визначено мету, сформовано задачі досліджень, визначено об'єкт та предмет досліджень, викладено наукову новизну і практичне значення отриманих результатів, подано відомості про апробацію, публікацію і структуру дисертації.

У першому розділі представлено опис і класифікацію малогабаритних ЕМК; розглянуто вимоги до ЕМК, що застосовуються в системах обладнання АКТ.

Зроблено огляд літературних джерел з прогнозування експлуатаційних змін технічного стану виробів АКТ в процесі відпрацювання ресурсу. Відмічено, що основні теоретичні положення прогнозування експлуатаційних змін технічного стану і параметрів технічних виробів викладено в роботах В.В. Болотіна, І.М. Синдєєва, П.П. Пархоменко та інших вітчизняних і зарубіжних авторів. Найбільший внесок у розвиток прогнозування зміни технічного стану виробів АКТ в процесі відпрацювання ресурсу зроблено такими відомими вченими, як В.Г. Воробьев, Т.О. Сиріцин, Д.Є.Чегодаєв та інші. З робіт, присвячених питанням прогнозування експлуатаційних змін технічного стану систем гідро- та пневмоприводу різного призначення, слід відзначити роботи В.М. Міхліна і О.М. Харазова.

Зроблено висновок, що, не зважаючи на відносно велику кількість публікацій, окремі важливі аспекти проблеми прогнозування зміни технічного стану ЕМК в процесі відпрацювання ресурсу з урахуванням особливостей деградаційних процесів в елементах і вузлах клапанів під дією циклічних динамічних навантажень залишаються нерозкритими і вимагають подальших досліджень.

Надано обґрунтування мети і задач досліджень.

У другому розділі приведено аналіз результатів дослідного відпрацювання ЕМК систем обладнання АКТ розробки КЦКБА. Представлено загальну схему формування експлуатаційних змін технічного стану ЕМК в процесі відпрацювання ресурсу (рис 1).

Рис. 1. Схема формування експлуатаційних змін технічного стану ЕМК:

1 - комплекс експлуатаційних факторів; 2 - ЕМК; 3 - взаємодія елементів ЕМК з експлуатаційними навантаженнями; 4 - деградаційні процеси в елементах клапана; 5 - зміни початкового стану поверхонь, геометричних параметрів деталей та вузлів виробу; 6 - накопичення пошкоджень в мікрооб'ємах конструкційного матеріалу; 7 - зміна технічного стану ЕМК в процесі експлуатації; 8 - експлуатаційна зміна функціональних параметрів; 9 - розвиток явищ від утомленості; 10 - перехід ЕМК у непрацездатний стан; 11 - вихід функціональних параметрів клапана за допустимі межі; 12 - руйнування або недопустима пластична деформація деталей ЕМК

Проведено аналіз експлуатаційних змін початкового стану елементів (ПСЕ) ЕМК. На прикладі ЕМК с двопозиційним електромагнітним приводом типу ДШВ (рис. 2) розглянуто основні деградаційні процеси в його елементах і вузлах, що виникають під час експлуатації (див. таблицю).

Дислокація зон розвитку деградаційних процесів та зумовлені ними зміни початкового стану елементів клапана

Напрямок переміщення рухомої системи (РС)	Деталі, які контактують; поверхні контакту	Характер контактування	Характер зміни початкового стану елемента (ПСЕ)
ПереміщенняРС від сідла	Повзун 5, шайба 9; торцеві поверхні контакту	Циклічне прикладання імпульсних зусиль розтягання до головки штока 3	Викришування від утоми поверхонь контакту; зміна відносного положення деталей 5 і 9
			Утворення та накопичення продуктів зношування
	Шайба 9, головка штока 3	Ударне циклічне контак-тування торцевих по-верхонь	Формозміни шайби 9 і головки штока 3; зміна взаємного положення деталі 3 і деталі 5
			Накопичення мікроушкоджень в об'ємі конструкційного матеріалу шийки штока
	Повзун 5, шайба 9, шток 3	Циклічне прикладання імпульсних зусиль розтягання до головки штока	Пластичне подовження штока 3
			Руйнування від утоми штока 3
	Повзун 5, верхній стоп 2; торцеві поверхні контакту	Ударне циклічне контак-тування торцевих по-верхонь	Деградація макрорельєфу поверхонь контакту
			Утворення та накопичення продуктів зношування
Переміщення РС до сідла	Золотник 8, сідло 7, ущільнюванні поверхні	Ударне циклічне контактування	Деградація макрорельєфу ущільнювальних поверхонь затвору
			Утворення та накопичення продуктів зношування
	Повзун 5, нижній стоп 6; торцеві поверхні контакту	Ударне циклічне контактування	Деградація макрорельєфу поверхонь контакту внаслідок викришування від утоми
			Пластична деформація деталей (розклепування) в зоні контакту торцевих поверхонь
			Утворення та накопичення продуктів зношування

Виявлено, що між змінами технічного стану клапана і його функціональними параметрами (ФП) може мати місце один з двох типів зв'язку: I тип, коли у формуванні змін кожного ФП бере участь більша частина змін ПСЕ, а, у свою чергу, кожне зі змін ПСЕ бере участь у формуванні змін переважної частини ФП (таким чином формується переважна частина параметричних відмов клапана); II тип, коли зміни функціонального параметра є наслідком одного домінуючого деградаційного процесу й викликаної ним зміни початкового стану відповідного елемента клапана. Виявлений розподіл експлуатаційних змін технічного стану ЕМК на два характерних типи вказує на те, що прогнозування кожного із цих змін не може бути виконано яким-небудь єдиним методом.

Рис. 2. Конструктивна схема клапана з двопозиційним електромагнітним приводом типу ДШВ (двопозиційний штовхаюче-втягуючий):

1 - голівка штока; 2 - корпус електромагніта; 3 - шток; 4 - буферна пружина; 5 - повзун (якір); 6 - нижній стоп; 7 - сідло; 8 - золотник; 9 - стопорна шайба; 10 - розподільна трубка; 11 - обмотка закриття; 12 - обмотка відкриття; 13 - постійний магніт

На підставі цього обґрунтовано висновок, що найбільш ефективний шлях рішення проблеми, що розглядається, полягає в прогнозуванні експлуатаційних змін технічного стану ЕМК на основі дослідження статистичних закономірностей зміни функціональних параметрів виробів-аналогів і даних спеціальних експериментальних досліджень.

Третій розділ присвячено розробці математичних моделей прогнозування показників безвідмовності й можливих експлуатаційних змін технічного стану ЕМК.

Для визначення напружень в критичних елементах ЕМК розроблено тривимірну параметричну модель клапана. Для проведення розрахунків використовувалися спеціальні програми, написані на мові програмування APDL (Ansys Parametric Dialog Language) системи кінцевоелементного аналізу ANSYS. З використанням цієї моделі і метода кінцевих елементів (МКЕ) для ЕМК з приводом типу ДШВ (рис. 2) за алгоритмом, наведеним на рис. 3, проведено аналіз напружень в елементах його рухомої частини.

Аналіз показав, що в процесі відкриття клапана найбільші напруження виникають у верхній та нижній частинах шийки штока в області концентраторів напружень на його поверхні та в полиці шайби в зоні її контакту з головкою штока по обидві сторони від вирізу. В повзуні контактні напруження в 6 разів менші, ніж у відмічених деталях. Проведені оптимізаційні розрахунки форми деталей клапана також показали, що мінімальні напруження в системі шток-шайба будуть у випадку, коли площа перерізу шийки штока приблизно дорівнює 0,9 площі контакту шайби зі штоком.

Рис. 3. Алгоритм застосування кінцевоелементних розрахункових комплексів

Представлено результати розробок з прогнозування показників безвідмовності ЕМК на стадії розробки ескізного проекту, коли ще відсутні дослідні зразки виробу, що проектується, - визначення показників безвідмовності ЕМК з використанням енергетичних критеріїв і статистичних закономірностей зміни функціональних параметрів виробів-аналогів.

Показано, що процес накопичення ушкоджень від утомленості в елементах ЕМК з приводом типу ДШВ, які зазнають значних динамічних циклічних навантажень, безпосередньо пов'язаний з величиною питомої кінетичної енергії переміщення рухомої системи приводу

,

де - маса рухомої системи приводу; - швидкість переміщення його рухомої системи; - мінімальна площа поперечного перерізу стрижневого елементу (шийки штока 3 на рис. 2).

Залежність напрацювання клапана до відмови , що побудована з використанням результатів випробувань виробів-аналогів, характеризує гранично допустимий рівень питомої кінетичної енергії переміщення рухомої системи приводу, перевищення якого може призвести до руйнування штока від утомленості. Умову працездатності ЕМК, що проектується, через питому кінетичну енергію рухомої системи приводу можна зобразити у вигляді , де - допустимий рівень питомої кінетичної енергії рухомої системи приводу клапана, що відповідає заданому в ТЗ напрацюванню . Для практичної реалізації розробленої моделі прогнозування отримано експериментальні залежності кількості циклів напрацювання до руйнування штока ЕМК від рівня питомої енергії переміщення рухомої системи приводу для різних матеріалів: 08Х 18Н 10Т (рис. 4), ВТ 1-0, АК 4-1.

Рис. 4. Залежність напрацювання до руйнування штока ЕМК з приводом ДШВ, виконаного зі сталі 08Х 18Н 10Т, від рівня питомої енергії переміщення рухомої системи приводу клапана

Для оцінки ресурсних можливостей ЕМК, що проектуються, на підставі результатів випробувань дослідних зразків клапана розроблено математичні моделі експлуатаційних змін технічного стану ЕМК з використанням стохастичної теорії накопичення пошкоджуваностей в елементах і вузлах клапана в процесі відпрацювання ресурсу. Для їх розробки була використана основана на центральній граничної теоремі ймовірнісна модель підсумовування пошкоджень, описана в роботах А.М. Ветрова і О.Г. Кучера.

З фізичної точки зору процес пошкоджуваності в матеріалі деталей клапана пов'язаний з накопиченням невідновних однобічних пластичних деформацій, розвитком процесів утомленості, зносу, наклепу та іншими необоротними змінами структури матеріалу. На розвиток цих процесів пошкоджуваності, в свою чергу, впливають зовнішні випадкові фактори - коливання умов роботи та змінність параметрів навантаження деталей в процесі експлуатації. При кожному впливі навантаження (випадковому чи регулярному) відбувається елементарний акт накопичення в матеріалі невідновних деформацій (прирощення пошкоджуваності), величина і характер якого є випадковою функцією механічних характеристик матеріалу, величин напружень, числа циклів та інших факторів. Процес накопичення пошкоджень у цьому випадку розглядається як результат статистичного підсумовування великого числа рівномірно малих мікрострибків елементарних незалежних пошкоджуваностей. Тоді за n циклів величина накопиченої пошкоджуваності визначиться сумою

,

де - величина пошкоджуваності в i-му елементарному циклі. За деякий період часу, коли n досить велике, за центральною граничною теоремою і зробленими припущеннями про характер навантажень, накопичена пошкоджуваність збігається до нормального розподілу. Такий процес накопичення пошкоджуваностей можна розглядати як випадковий процес з незалежними прирощеннями, побудований за типом марковської послідовності.

В якості процесу накопичення пошкоджуваностей можна розглядати і непрямі параметри, що достатньо добре відтворюють характер зміни основних фізичних процесів пошкоджуваності матеріалу деталей, такі як, наприклад, хід золотника ЕМК з приводом типу ДШВ. У цьому випадку характеристики випадкового процесу накопичення пошкоджуваностей можуть бути визначені, досліджені і прогнозовані статистичними методами.

Досліджуються два випадкових процеси (послідовності): вихідний породжуючий процес пошкоджуваності клапана П'(t1), П'(t2), ..., П'(tn) і породжений ним процес накопиченої пошкоджуваності

Перший процес при деяких припущеннях розглядається як однорідний випадковий стаціонарний процес, а другий - як випадковий нестаціонарний процес.

Оцінку накопиченої пошкоджуваності деталей клапану в умовах випробувань чи реальної експлуатації рекомендовано також проводити за аналогічною схемою і у випадку, коли за елементарну пошкоджуваність прийняти феноменологічну пошкоджуваність (відносну довговічність, відносну деформацію тощо) за один елементарний цикл навантаження деталі. Застосування деформаційних критеріїв втомленого руйнування дозволяє використовувати гіпотезу підсумовування пошкоджуваностей від утомленості, в тому числі лінійну гіпотезу підсумовування пошкоджуваностей.

Приймаючи припущення, що закон розподілу накопичених пошкоджуваностей близький до нормального, що потім найшло своє підтвердження за результатами обробки експериментальних даних, було розроблено імовірнісні моделі підсумовування як незалежних, так і залежних випадкових пошкоджуваностей в елементах і вузлах клапана. З використанням цих моделей отримано математичні залежності для визначення математичного очікування і дисперсії накопиченої пошкоджуваності в елементах і вузлах клапана, а також щільності і функції розподілу накопиченої пошкоджуваності для різних можливих значень коефіцієнта кореляції :

; (1)

; (2)

; (3)

. (4)

Отримано також математичні залежності для визначення щільності розподілів і функції розподілу чисел циклів до руйнування критичного елемента клапана, які можуть бути використані для оцінки імовірнісних характеристик надійності і довговічності ЕМК.

У четвертому розділі представлено результати спеціальних експериментальних випробувань ресурсних можливостей ЕМК різних типів, принципові схеми яких наведено на рис. 2, 5, 6.

Рис. 5. Принципова схема ЕМК з нейтральним однопозиційним елекромагнітним приводом типу ОШ (ОВ) - однопозиційний штовхаючий (однопозиційний втягуючий):

1 - стоп; 2 - якір; 3 - обмотка; 4 - магнітопровід; 5 - золотник; 6 - корпус клапана; 7 - пружина; 8 - штепсельне рознімання Рис. 6. Принципова схема ЕМК з двопозицій-ним поляризованим електромагнітним приводом типу ДВ (ДШ) - двопозиційний втягуючий (двопозиційний штовхаючий):

1 - стоп; 2 - постійний магніт; 3 - пружина; 4 - обмотка; 5 - магнітопровід; 6 - якір; 7 - золотник; 8 - штепсельне рознімання

Виявлено особливості експлуатаційних навантажень і основних деградаційних процесів, що призводять до суттєвих змін технічного стану клапанів з електромагнітним приводом систем обладнання ЛА і визначають їх ресурсні можливості. Обґрунтовано висновок, що характер основних експлуатаційних навантажень, що діють на елементи і вузли ЕМК, визначаються імпульсним переміщенням рухомої системи приводу клапана в його корпусі.

В ЕМП з приводами типу ОШ (ОВ) і ДШ (ДВ) зонами контактної взаємодії деталей є торцеві поверхні якоря й поверхні стопів. Деградація вихідного стану деталей відбувається в результаті ударного контакту цих поверхонь і тертя циліндричних поверхонь якоря й розділювальної трубки.

В ЕМП з приводами типу ДШВ, на додаток до раніше згаданого, мають місце ударні контакти на поверхнях якоря і стопорної шайби, а також на поверхні стопорної шайби й нижньої торцевої поверхні головки штока. Конструкційна особливість приводу ДШВ істотно обмежує величину площадок контакту вищезгаданих деталей. У силу цієї обставини конструкційний матеріал деталей у цих зонах зазнає високих динамічних напружень.

З урахуванням згаданих причин зміни технічного стану ЕМК даних типів під дією ресурсних навантажень призводять до якісно різних наслідків:

- в ЕМК із приводами ОШ (ОВ) і ДШ (ДВ) зміни технічного стану, як правило, завершуються параметричними відмовами, тобто виражаються в погіршенні якості функціонування виробу без припинення останнього;

- в ЕМК з приводами ДШВ зміни технічного стану при певному напрацюванні завершуються руйнуванням стрижневого елемента - штока, тобто повним припиненням функціонування виробу.

Для ЕМП з приводами ОШ (ОВ) і ДШ (ДВ) мають місце переважно експлуатаційні зміни технічного стану клапана типу I, тоді як для ЕМП з приводами ДШВ характерні експлуатаційні зміни типу II. "Слабким" елементом ЕМК з приводом типу ДШВ є шийка штока, втомна міцність якої визначає ресурс клапана.

Експериментальним шляхом визначено характер зміни основних функціональних параметрів клапанів розглянутих типів від кількості циклів напрацювання. Одержано відповідні експериментальні залежності математичного очікування і дисперсії зміни параметрів ЕМК від кількості циклів напрацювання, які покладено в основу розробки методів прогнозування можливих експлуатаційних змін параметрів ЕМК в процесі відпрацювання ресурсу.

Встановлено, що для ЕМП з приводом типу ДШВ в процесі виробітку ресурсу має місце певне зменшення напруги і часу відкриття клапану, певне збільшення напруги і часу закриття і суттєве зменшення ходу золотника клапана (рис. 7) за рахунок зміни положення повзуна відносно шайби і штока унаслідок виробітку кільцевої канавки на торцевій поверхні повзуна та пластичної деформації деталей клапана (в першу чергу шийки штока). При зменшенні величину до критичної має місце руйнування шийки штока.

Рис. 7. Залежності зміни ходу золотника п'яти зразків ЕМК з приводом типу ДШВ від кількості блок-циклів напрацювання (1 блок-цикл = 20000 циклів)

На підставі проведених спеціальних металографічних та фрактографічних досліджень деталей електромагнітного приводу ЕМК з приводом типу ДШВ зроблено висновок, що руйнування деталей клапану під дією експлуатаційних навантажень відбувається унаслідок двох деградаційних процесів: ударно-утомного руйнування і ударно-абразивного зношування. Процесу руйнування шийки штока передує комплекс деградаційних процесів, що відбуваються в конструктивному матеріалі під час відпрацювання ресурсу: утворення і нагромадження мікродефектів, злиття мікропор у мікротріщини, зсувна деформація, утворення магістральних тріщин або макропорожнин.

П'ятий розділ присвячено питанням прогнозування можливих експлуатаційних змін технічного стану ЕМК в процесі відпрацювання ресурсу. Удосконалено наявні математичні моделі й на їх основі розроблено відповідні методики прогнозування зміни функціональних параметрів ЕМК з використанням методу найменших квадратів, методу екстраполяції і методу направленої селекції.

В основу екстраполяційного методу прогнозування покладено залежність зміни параметра клапана від часу напрацювання (або кількості спрацьовувань ), що має вигляд

(5)

де - детермінована невипадкова компонента процесу; - стохастична випадкова компонента процесу.

Задача прогнозування полягає у визначенні виду екстраполюючих функцій і на підставі початкових емпіричних даних. Проведені дослідження показали, що в якості екстраполюючих функцій можуть бути використані такі функції як: лінійна, дробово-раціональна, показниково-степенева і експоненціально-степенева.

Із застосуванням методу направленої селекції отримано математичні залежності між ходом золотника та іншими основними функціональними параметрами клапана і кількістю циклів спрацювання типу

. (6)

Розроблено методику визначення ресурсу ЕМК на підставі аналізу наявних в елементах клапана випадкових процесів пошкоджуваності, що базується на викладених в розділі 3 теоретичних основах моделювання експлуатаційних змін технічного стану ЕМК в процесі відпрацювання ресурсу. Практичне використання розробленої методики проілюстровано на прикладі ЕМК з приводом типу ДШВ, для якого за критичний параметр було вибрано хід золотника .

Шостий розділ присвячено питанням впровадження результатів досліджень у виробництво.

Впровадження результатів виконаних досліджень проводилось в КЦКБА шляхом:

- удосконалення процесу розробки нових зразків ЕМК для систем обладнання АКТ;

- розробки низки конкретних науково обґрунтованих рекомендацій щодо удосконалення конструкції окремих зразків ЕМК.

Розроблено стандарт підприємства СТУ-252:2007 "Методика прогнозування технічного стану електромагнітних клапанів з приводом ДШВ на етапі проектування", а також рекомендації з удосконалення процесу розробки нових зразків ЕМК для систем обладнання АКТ за рахунок прогнозування на ранніх етапах проектування можливих експлуатаційних змін в ЕМК під час відпрацювання ресурсу.

Рекомендації щодо удосконалення конструкції окремих типів ЕМК розробки КЦКБА захищено деклараційними патентами на корисну модель № 4156 від 17.01.2005 р., № 12621 від 15.02.2006 р. і патентом на корисну модуль № 17984 від 03.05.2006 р.

Загальні висновки

В результаті виконаних експериментально-теоретичних досліджень отримали подальший розвиток наукові основи прогнозування експлуатаційних змін технічного стану клапанів з електромагнітним приводом систем обладнання ЛА, впровадження яких на етапі проектування забезпечує отримання необхідних показників безвідмовності та скорочення термінів проведення розробок нових типів клапанів.

Основні наукові та практичні результати дисертаційної роботи полягають у наступному:

1. Вперше за результатами досліджень деградаційних процесів в елементах і вузлах ЕМК розроблено класифікацію і схему формування експлуатаційних змін технічного стану елементів ЕМК, які поділено поділяти на два типи:

- тип I, коли у формуванні змін кожного функціонального параметра клапана бере участь одночасно декілька різних деградаційних процесів;

- тип II, коли зміна технічного стану елементів клапана відбувається під дією одного домінуючого деградаційного процесу.

Доведено, що прогнозування кожного із цих змін не може бути виконано яким-небудь єдиним методом.

2. Встановлено, що зміни технічного стану ЕМК досліджених типів під дією ресурсних навантажень призводять до якісно різних наслідків, а саме:

- в ЕМК із приводами ОШ (ОВ) і ДШ (ДВ) зміни технічного стану, як правило, завершуються параметричними відмовами, тобто виражаються в погіршенні якості функціонування клапана без припинення останнього;

- в ЕМК з приводами ДШВ зміни технічного стану з певним напрацюванням завершуються руйнуванням стрижневого елемента - штока, тобто повним припиненням функціонування виробу.

3. Для визначення напружень в критичних елементах ЕМК розроблено тривимірну параметричну модель клапана. З використанням цієї моделі і метода кінцевих елементів (МКІ) для ЕМК з двопозиційним поляризованим приводом типу ДШВ виявлено критичні за величиною напружень зони в елементах клапана.

4. Вперше встановлено, що наробіток штоків приводу ДШВ до відмови внаслідок втомного руйнування залежить від питомої кінетичної енергії переміщення його рухомої системи; на основі використання енергетичного критерію розроблено математичну модель і методику прогнозування показників безвідмовності ЕМК з приводом типу ДШВ на етапі ескізного проектування.

5. Розроблено математичні моделі експлуатаційних змін технічного стану ЕМК з використанням стохастичної теорії накопичення пошкоджуваностей в елементах і вузлах ЕМК в процесі відпрацювання ресурсу, які відрізняються від використовуваних раніше моделей врахуванням специфіки навантаження і особливостей деградаційних процесів в елементах кінематичного ланцюга клапана.

6. Отримано математичні залежності для визначення щільності розподілів і функції розподілу чисел циклів до руйнування критичного елемента клапана, які рекомендовано для оцінки імовірнісних характеристик надійності і довговічності ЕМК.

7. Експериментальним шляхом визначено характер і інтенсивність змін основних функціональних параметрів клапанів розглянутих типів від кількості циклів напрацювання. Отримано відповідні експериментальні залежності математичного очікування і дисперсії зміни параметрів ЕМК від кількості циклів напрацювання, які покладено в основу розробки стохастичних моделей прогнозування можливих експлуатаційних змін параметрів ЕМК в процесі відпрацювання ресурсу.

8. На основі результатів проведених досліджень розроблено стандарт підприємства СТУ-252:2007 "Методика прогнозування технічного стану електромагнітних клапанів з приводом ДШВ на етапі проектування".

9. Розроблено рекомендації щодо удосконалення процесу проектування нових зразків ЕМК для систем обладнання АКТ за рахунок прогнозування можливих експлуатаційних змін в ЕМК при відпрацюванні ресурсу, а також рекомендації щодо удосконалення конструкції окремих типів ЕМК, які захищено деклараційними патентами України на корисну модель № 4156 від 13.02.2004 р., № 12621 від 22.08.2005 р. і патентом України на корисну модель № 17984 від 03.05.2006 р.

10. Результати досліджень впроваджено у практику проектування ЕМК в Київському центральному конструкторському бюро арматуробудування.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Хильчевский В.В., Ситников А.Е., Ананьевский В.А. Надежность трубопроводной пневмо-гидроарматуры. - М.: Машиностроение, 1989. - 208 с.

2. Ситников А.Е. Прогнозирование технического состояния электромагнитных клапанов по функциональным параметрам // Вестник национального технического университета "Киевский политехнический институт". Машиностроение. - Вып. 38. - Т. 2. - К.: НТУУ "КПИ", 2000. - С. 189-191.

3. Ситников А.Е. Методы обеспечения безотказности пневмоагрегатов при опытной отработке // Зб. наук. праць Кіровоградського державного технічного університету. Техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація. - Вип. 7. - Кіровоград: КДТУ, 2000. - С. 98-102.

4. Ситников А.Е., Зайончковский Г.И., Федоричко Я.Б. Прогнозирование изменений функциональных параметров клапанов с электромагнитным приводом // Вестник Национального технического университета "Харьковский политехнический институт". Технологии в машиностроении. - Вып. 129. - Ч. 2. - Харьков: НТУ "ХПИ", 2001. - С. 174-180. (Здобувачем розроблено основні методичні положення прогнозування змін функціональних параметрів ЕМК на основі використання стохастичних методів).

5. Ситніков О.Є., Зайончковський Г.Й., Федоричко Я.Б. Прогнозування експлуатаційних змін функціональних параметрів клапанів з електромагнітним приводом // Вісник Національного авіаційного університету. - № 2 (9). - К.: НАУ, 2001. - С. 67-71. (Здобувачем розроблено основні методичні положення прогнозування змін функціональних параметрів ЕМК на основі використання стохастичних методів).

6. Рыкунич Ю.Н., Ситников А.Е., Лабунец В.Ф., Федоричко Я.Б. Исследование изменения технического состояния элементов пневмоклапанов с электромагнитным приводом // Вестник Национального технического университета Украины "Киевский политехнический институт". Машино-строение. - Вып. № 42. - Т. 1. - К.: НТУУ "КПИ", 2002. - С. 174-178. (Здобувачем на основі отриманих експериментальних даних зроблено аналіз змін технічного стану ЕМК).

7. Ситников А.Е. Отказы электромагнитных клапанов // Вестник Национального технического университета Украины "Киевский политехнический институт". Машиностроение. - Вып. № 42. - Т. 2. - К.: НТУУ "КПИ", 2002. - С. 46-49.

8. Ситников А.Е. Анализ и стохастическая оценка изменение технического состояния электромагнитных клапанов при эксплуатации // Вибрации в технике и технологиях, 2003, № 2 (28) - С. 82-86.

9. Рыкунич Ю.Н., Ситников А.Е., Зайончковский Г.И. Лабунец В.Ф. Изменение технического состояния контактирующих деталей электромагнитных клапанов при эксплуатации // Вибрации в технике и технологиях. - 2003. - № 3 (29) - С. 46-51. (Здобувачем виконано аналіз змін технічного стану контактуючих деталей ЕМК).

10. Ситников А.Е. Кудинов А.С., Федоричко Я.Б., Зайончковский Г.И. Стендовое моделирование эксплуатационных изменений в электромагнитных клапанах // Вибрации в технике и технологиях. - 2003. - № 3 (29) - С. 63-66. (Здобувачем розроблено методику і програму випробувань ЕМК).

11. Рикуніч Ю.М., Ситніков О.Є., Кучер О.Г., Зайончковський Г.Й. Прогнозування втомленості елементів конструкції електромагнітних клапанів при циклічному та імпульсному навантаженнях // Вісник Сумського державного університету. Серія: Технічні науки. - № 13 (59). - Суми: СДТУ, 2003. - С. 38-48. (Здобувачем зроблено аналіз деградаційних процесів в елементах ЕМК).

12. Ситніков О.Є., Кучер О.Г., Зайончковський Г.Й., Федоричко Я.Б. Оцінювання і прогнозування ресурсу пневматичних клапанів з електромагнітним приводом // Промислова гідравліка і пневматика. - 2003. - №2. - С. 7-23. (Здобувачем зроблено оцінку змін технічного стану ЕМК під дією ресурсних навантажень).

13. Ситников А.Е., Федоричко Я.Б., Кучер А.Г., Зайончковский Г.И., Сухоруков А.Ю. Прогнозирование изменения функциональных параметров клапанов с электромагнитным приводом при выработке ресурса // Промислова гідравліка і пневматика. - 2004. - №3 (5). - С. 10-22. (Здобувачем проаналізовано зміни функціональних параметрів ЕМК за результатами експериментальних досліджень).

14. Рикуніч Ю.М., Ситніков О.Є., Федоричко Я.Б., Кучер О.Г., Зайончковський Г.Й., Харитон В.В., Чердовських Я.І. Аналіз напруженого стану робочих елементів пневматичних клапанів з електромагнітним приводом // Промислова гідравліка і пневматика. - 2005. - № 4 (10). - С. 55-62. (Здобувачем проведено аналіз напруженого стану елементів ЕМК на підставі розрахунків на персональній ЕОМ).

15. Рыкунич Ю.Н., Ситников А.Е. Выбор запасов работоспособности проектируемых электромагнитных клапанов с использованием энергетических критериев // Промислова гідравліка і пневматика. - 2006. - № 1 (11). - С. 43-46. (Здобувачем розроблено методику оцінки запасів працездатності ЕМК на підставі використання енергетичних критеріїв).

16. Рыкунич Ю.Н., Ситников А.Е., Федоричко Я.Б., Кучер А.Г., Зайончковский Г.И. Прогнозирование технического состояния клапанов с электромагнитным приводом с использованием методов направленной селекции // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета. Сб. науч. трудов. - Вып. 38. - Харьков: ХНАДУ, 2007. - С.184-186. (Здобувачем уточнено методику використання метода направленої селекції для прогнозування технічного стану ЕМК).

17. Деклараційний патент на корисну модель 4156 Україна, 7 F16K1/00. Електромагнітний клапан / Рикуніч Ю.М., Ситніков О.Є., Кисіль В.Л., Федоричко Я.Б.; КЦКБА. - № 2004021061; Заявл. 13.02.2004; Опубл. 17.01.2005, Бюл. № 1. - 2 с.

...