МОДЕРНИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ ДЕТАЛИ «ПЕРЕПУСКНОЙ КОЛЛЕКТОР» С ЦЕЛЬЮ ПРИМЕНЕНИЯ В ИЗМЕНИВШИХСЯ УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

АННОТАЦИЯ

Двигатели разного назначения и устройства широко применяются в современном производстве в составе различных установок. В состав двигателей входят высокоточные детали несущие различные нагрузки. В современной промышленности все больше используется инновационных технологий, что требует интенсификация режимов и условий работы установок, и модернизацию двигателей. Одной из деталей подвергающейся модернизации является «Перепускной коллектор». Полученные результаты показали эффективность модернизации данной детали.

Ключевые слова: Двигатель; коллектор; датчик; отказ; установка.

В современном машино- и приборостроении широко используются различные устройства типа «двигатель». Они преобразования различных видов энергии в разнообразные виды движения. Существуют различные виды двигателей необходимых для функционирования и использования различных исследовательских установок [1, с. 7].

На базовом предприятии проводятся исследования по влиянию излучений на свойства материалов [2, с 50].

В результате были разработаны и используются электрофизические установки предназначенные для моделирования в лабораторных условиях воздействия излучения на различные объекты специального назначения.

Во все эти установки входит спец. изделие «Двигатель». Она состоит из большого числа деталей. В настоящей работе рассматриваются вопросы обеспечения работоспособности спец. изделия «Двигатель» в изменившихся условиях, на базе модернизации конструкции детали «Перепускной коллектор».

Деталь имеет название «Перепускной коллектор», является главной составной частью сборки спец. изделия «Двигатель». Она является корпусом для перепускного клапана дроссельной заслонки и датчиков положения дроссельной заслонки.

«Перепускной коллектор» состоит из тела вращения и призмы, с пазами и отверстиями, необходимыми для крепления датчиков, установки детали в сборочное изделие и соединения с трубопроводом.

В результате проведенных исследований и испытаний с использованием спец. комплекса, куда входит спец. изделие «Двигатель» заказчиком принято решение повысить мощность спец. комплекса.

Основные требования коснулись обеспечения постоянной  более низкой температуры носителей газовой (с -4 до -20+0,5 ^оС) и водяной (с 20 до 3^{+1 о}С) изоляции и их более высокого давления развиваемое при помощи спец. изделия «Двигатель» (с 10 до 17+0,2 атм.  в режиме холостого хода и с 12 до 20 атм. в аварийном режиме) [3, с. 114].

Указанное решение потребовало провести изменения конструкции обеспечивающих систем установки. При этом возросла частота вращения выходного вала спец.изделия «Двигатель» с 400 до 800 мин^-1. Дополнительным условием установленным заказчиком явилось сохранение после  модернизации габаритных размеров и массы  спец.изделия «Двигатель», а также его ресурса, эксплуатационных и прочностных характеристик деталей в него входящих. Не посредственно это оказало влияние на конструкцию детали «Перепускной коллектор» входящей в спец. изделие «Двигатель». Деталь «Перепускной коллектор» изготавливается из титанового сплава ВТ6 ГОСТ 19807-91[4, с.2].

Испытания спец. изделия «Двигатель» показало возросшее число отказов при изменившихся условиях эксплуатации.

Испытания проводились следующим образом. После 10-и включений спец. изделие «Двигатель» в управляемом режиме изменялось давление газа носителя от 15 до 20 атм. с температурой -20+0,5 ^оС.

Во время испытаний собранного изделия при увеличении частоты вращения выходного вала спец. изделия «Двигатель» до 800 мин^-1 и давлении в магистрали сжатого газа 18 атм. (1,83 МПа) наблюдалось возрастание шума и уровня вибраций (386 изделий в партии из 500 шт). При давлении до 10 атм. повышения шума и вибрации не наблюдалось.

При проверке на испытательном стенде наблюдались перебои работы двигателя. Пе­ребои не возникали в каждом цикле устойчиво рабо­тающего двигателя. Двигатель работал с частотой вращения 1000 мин^-1 и при полной нагрузке (давление 20 атм.). Все в каждом изделии наблюдались перебои (500 изделий в партии из 500 шт). Анализ факторов, вызывающих перебои в работе спец. изделия «Двигатель» осуществлялся при помощи программы MATLAB 9.3 R2018b по методике [5, с. 48].

Для обнаружения источника перебойных циклов поочередно выводились из исходного положения различные элементы спец. изделия «Двигатель». Таким методом было выявлено, что одним из источников перебойных циклов являются погрешности в установке датчиков управления двигателем, а именно поворот датчиков от исходного положения, а также погрешность глубины их установки в отверстиях детали «Перепускной коллектор». При погрешностях в установке датчиков блок управления спец. изделия «Двигатель» получал искаженную информацию о положении дроссельной заслонки, что приводило к появлению перебойных циклов. Это вызывало появление амплитуд перебоев при давлении от 1,2 до 2 МПа (12…20 атм). Кроме того, причиной появления перебойных циклов стал процесс кавитации, возникающий при повышении рабочего давления в полости детали «Перепускной клапан». Появление кавитации произошло по причине увеличения давления в полости детали «Перепускной клапан», и изменении скорости протекания потока. При прохождении жидкости через полость паза происходит изменения давления и возникновения кавитации. Жидкость попадает из полости с сечением 30 мм в полость имеющую размер в сечении 17 мм, давление жидкости резко возрастает, а её скорость увеличивается. Соударение для этого случая определяется как для нормального соударения под углом 90^о.  Затем жидкость попадает в полость с размером в сечении 26 мм у всех сечений паза одинаковая ширина 8,2 мм. В данной конструкции паза имеет место случая плохо обтекаемых тел, обладающих острыми кромками, поэтому формирование струйного вида кавитации происходит очень быстро. Расчет выполнялся на лагранжево-эйлеровых сетках (ALE) объемных восьмиузловых построенных в препроцессоре Prep7 ANSYS Mechanical APDL 14.5 с помощью решателя LS-DYNA 3D v.971 R6.

При подаче рабочего газа к спец. изделию «Двигатель» наблюдалось падение его давления. При этом отмечалось скачкообразное падение давления при повышении давления выше 17 атм. (1,722МПа). Ультразвуковой детектор утечек - LD 500 / 510 показал, что в местах соединения трубок подачи газа с деталями спец. изделия «Двигатель» наблюдаются утечки рабочего газа (224 изделия в партии из 500 шт). Это связано с применением в качестве уплотнителя фторопластовой ленты Ф-4ПН 0,2х20 ГОСТ 24222-80. Анализ показал, что качество уплотнения зависит от качества изготовления ленты, а также качеством намотки её сборщиком.

Заказчик указал также на необходимость фиксации информацию о состоянии спец. изделия «Двигатель», его настройках, изменениях регламентных работах, в том числе и в узле куда входит деталь «Перепускной коллектор». Так же необходимо ограничить спец. изделие от несанкционированного вскрытия. Для этого в конструкции детали «Перепускной коллектор» должен быть предусмотрен элемент позволяющий опломбировать узел.

Указанные изменения параметров спец. установки потребовали изменения конструкции спец.изделия «Двигатель», а также детали «Перепускной коллектор» для работы новых условиях эксплуатации.

Были проведены следующие мероприятия по модернизации детали «Перепускной коллектор».

1. Добавлены крепежные фланцы с двумя отверстиями в каждом с целью повышения надежности сопряжения детали «Перепускной коллектор» с основным корпусом спец. изделия «Двигатель». До модернизации сопряжение осуществлялось при помощи спец. гаек, или при помощи промежуточной разборной детали. Такое решение повысило точность позиционирования детали «Перепускной коллектор» и прочность сопряжения, снизило вероятность появления брака при сборке изделия.

2. На торцах детали изготовлена канавка, обеспечивающая более высокое качество герметизации при сопряжении детали «Перепускной коллектор» с трубками, через которые подается сжатый газ под давлением 15-20 атм. Трубки крепятся с помощью спецгаек, которые наворачиваются на резьбу М20. Для герметизации соединения использована уплотнительная прокладка, которая располагается в канавке торца детали. До модернизации уплотнение осуществлялось с помощью фторопластовой ленты Ф-4ПН 0,2х20 ГОСТ 24222-80, что вызывало частую разгерметизацию соединения при перепадах давления. Указанные мероприятия показаны на ЗD модели детали (рисунок 2)

3. Была заменена конструкция датчика, что потребовало изменения в конструкции детали. В отверстиях диаметром 4Н10 выполнен паз шириной 2^+0,04 мм с размером 3^+0,14 мм от оси отверстия. Пазы в отверстиях необходимы для однозначной установки датчиков. Также выполнены 2 группы по два резьбовых отверстия М2 глубиной 4 мм для закрепления этих датчиков.

1 – торец детали, 2 – резьба, 3 – канавка, 4 – фланец, 5 – отверстия фланца.

Рисунок 2. ЗD модель детали «Перепускной коллектор», показывающая модернизацию по п. 1 и п. 2

До модернизации датчики закреплялись в детали «Перепускной коллектор» при помощи герметика УТ-34 ГОСТ 24285-80. При установке датчиков с использованием герметика наблюдалась неточность его установки в   детали «Перепускной коллектор», а также выдавливание датчика из посадочного отверстия при перепадах давления. Указанные мероприятия показаны на ЗD модели детали (рисунок 3).

4. Для установки пломб после сборки спец. изделия «Двигатель» в детали «Перепускной коллектор» выполнено отверстие диаметром 1,5 мм. Указанное изменение выполнено по требованию заказчика, с целью обеспечения комплектности, заводских настроек и работоспособности спец. изделия «Двигатель».

5. Изменена конструкция паза. Так как возник процесс кавитации при повышении рабочего давления в полости детали «Перепускной коллектор». Появление кавитации произошло по причине увеличения давления в полости детали «Перепускной коллектор», и изменении плотности и состава газа.

8 – резьбовые отверстия для фиксации датчика новой конструкции, 9 – паз необходимый для однозначной установки датчика, 10 – рабочая зона клапана перепускного коллектора, 11 – отверстия для установки пломб после сборки изделия.

Рисунок 3 - ЗD модель детали «Перепускной коллектор», показывающая модернизацию по п.3 – 5

В соответствии с изменениями конструкции детали «Перепускной коллектор» был разработан технологический процесс её изготовления. Разработана специальная технологическая оснастка для обработки модернизированной детали «Перепускной коллектор».

Проведены сравнительные испытания спец. изделия «Двигатель» с деталями «Перепускной коллектор» до и после модернизации, которые подтвердили эффективность проведенных мероприятий и снижение числа отказов. При этом были достигнуты заданные характеристики работы спец. изделия «Двигатель»: частота вращения выходного вала 800 мин^-1, максимальное давление, развиваемое установкой 2 МПа. При этом особо стоит отметить, что при модернизации удалось сохранить размеры и даже немного уменьшить массу детали «Перепускной коллектор» за счет изменения конструкции паза и внедрения уплотнения на основе специальной прокладки.

Список литературы:

1. Москаленко В.В. Электродвигатели специального назначения. В.В.  Москаленко; М.: Энергоиздат, 1991. - 104 с.: ил.
2. Пунин В.Т., Завьялов Н.В., Басманов В.Ф. и др. Результаты экспериментальных исследований некоторых режимов работы сильноточного импульсного ускорителя электронов «Гамма-1». // XII научные Харитоновские чтения по проблемам физики высоких плотностей энергии 19 – 23 апреля 2010 г. (сборник докладов). Саров: Изд-во РФЯЦ-ВНИИЭФ. 2010. С. 49 – 54.
3. Гордеев В.С., Гришин А.В., Назаренко С.Т. и др. Результаты экспериментальных исследований системы передачи энергии типового модуля установки «Гамма». // XIV Харитоновские тематические научные чтения. Мощная импульсная электрофизика. 12 – 16 марта 2012 г. (сборник докладов). Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ». 2012. С. 112 – 116.
4. ГОСТ 19807-91. Титан и сплавы титановые деформируемые. Марки. Цветные металлы. Кремний, магний, кадмий, титан. Технические условия. Марки: Сб. ГОСТов. -М.: ИПК Издательство стандартов, 2001.
5. Стоцкий А.А. Статистический подход к обнаружению перебоев в работе двигателя внутреннего сгорания [Текст]/ А.А. Стоцкий// Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2008. № 12. С. 47-52. http://elibrary.ru/item.asp?id=12599816.