CC BY
44
УДК 621.646.4
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ КЛАПАНОВ С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПРИВОДОМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ НАПРАВЛЕННОЙ
СЕЛЕКЦИИ
Ю.Н. Рыкунич, директор, А.Е. Ситников, начальник отдела, Я.Б. Федоричко, начальник отдела, Киевское центральное конструкторское бюро арматуростроения, А.Г. Кучер, профессор, Г.И. Зайончковский, профессор, Национальный авиационный
университет
Аннотация. Приводятся результаты исследований по прогнозированию эксплуатационных изменений технического состояния малогабаритных пневматических клапанов с электромагнитным приводом в процессе выработки ресурса.
Ключевые слова: клапан, техническое состояние, эксплуатационные изменения, прогнозирование, ресурс, направленная селекция.
Введение
Технический прогресс в развитии современной авиационной и космической техники (АКТ) требует существенного сокращения сроков разработки и внедрения новых изделий АКТ. Возможности разработчика выс тоять в жесткой конкурентной борьбе могут быть обеспечены за счет сокращения времени и материальных расходов на выполнение опытно-конструкторских разработок (ОКР). При этом остаются неизменными требования к обеспечению необходимого уровня надежности и безотказности разработок. В полной мере эти требования относятся к разработке электромагнитных клапанов (ЕМК) систем оборудования летательных аппаратов (ЛА). Однако традиционные пути разработки ЕМК являются недостаточно эффективными и уже не отвечают требованиям времени. Нужно внедрение новых, более эффективных подходов к их разработке. Один из таких подходов заключается в использовании методов прогнозировании возможных изменений технического состояния ЕМК в эксплуатации на этапе проектирования.
Такое прогнозирование дает возможность: - выявить те эксплуатационные воздействия на работоспособность клапана, для которых
при традиционном подходе нужно проведение длительных и дорогостоящих ресурсных испытаний;
- выявить возможные нарушения работоспособного состояния клапана, которые проявляются достаточно редко и в силу этого не могут быть обнаружены методами ресурсных испытаний из-за малого объема выборки;
- выявить эксплуатационные факторы и их уровни, которые существеннее всего влияют на зарождение и развитие деградационных изменений в элементах клапана;
- определять элементы конструкции клапана, которые лимитируют его ресурс;
- своевременно разрабатывать конкретные мероприятия по усовершенствования конструкции клапана и обеспечению необходимого уровня его надежности и безотказности.
При этом, существенно сокращается время и повышается эффективность ОКР по разработке ЕМК систем оборудования ЛА, что и обосновывает актуальность проведения данных исследований.
Объект, цель и задачи исследований
В качестве объекта исследований был выбран малогабаритный клапан с поляризованным двухпозиционным электромагнитным приводом разработки КЦКБА (рис. 1), который широко используется в системах энергопи-
тания космических объектах, а также в системах управления мобильных машин.
Рис. 1. Конструктивная схема клапана с двух-позиционным электромагнитным приводом: 1 - головка штока; 2 - корпус электромагнита; 3 - шейка штока; 4 -буферная пружина; 5 - ползун (якорь); 6 - нижний стоп; 7 - седло; 8 - золотник; 9 - стопорная шайба; 10 - разделительная трубка; 11 - обмотка закрытия; 12 - обмотка открытия; 13 - постоянный магнит
Цель исследований - на основе прогнозирования определить ресурсные возможности клапана данного типа с учетом возможных эксплуатационных изменений его технического состояния в процессе выработки ресурса. При проведении исследований решались задачи разработки методики прогнозирования изменения технического состояния клапана с использованием методов направленной селекции, а также научного обоснования практических рекомендаций по усовершенствованию конструкции клапана и повышению его ресурса.
Основные результаты исследований
В результате проведенных экспериментальных исследований было установлено, что в процессе выработки ресурса имеет место пластическая деформация деталей подвижной системы клапана. Существенно изменяется положение ползуна 5 относительно стопорной шайбы 9 и штока 3 вследствие выработки кольцевой канавки на торцевой поверхности ползуна (с") и пластической деформации де-
талей 3 и 9 на величину с' (рис. 2). Это приводит к уменьшению хода золотника на величину ДА = с' + с", а также увеличивает длину камеры под буферную пружину 4, что, в свою очередь, приводит к уменьшению начального и рабочего усилия пружины 4.
Рис. 2. Изменение формы головки штока и стопорной шайбы в процессе выработки ресурса клапана
К полному отказу клапана приводит разрушение шейки штока 3 вследствие усталости материала и развития микротрещин. По результатам полученных экспериментальных данных были построены зависимости (рис. 3) изменения функциональных параметров клапана и хода его золотника от количества блок-циклов срабатывания (А^.ц = 20000 А').
Двухпозиционный клапан со стальным штоком
-е- Uоткр -А- Шакр
—1закр -*- ход"10
Г-А-&-А А
\
Рис. 3. Зависимости изменения функциональных параметров клапана от количества блок-циклов срабатывания
Проведенные исследования показывают, что для клапанов данного типа наиболее существенным является уменьшение в процессе выработки ресурса величины хода золотника И (рис. 4). Таким образом, параметр И является критичным и может быть использован для оценки ресурса клапана.
20
8
16
4
2
0
0
20
25
30
тт
-1
■ 2 .........3 ---------4 --......5
1 \ — ----с__
\ ""ч \
- ч. Ч \
\ \ \ \ \
\ ч \
\ \ \
1 4 7 10 13 16 19 22 25 2в N.
Рис. 4. Экспериментальные зависимости изменения хода золотника клапана от количества блок-циклов срабатывания
Так как непосредственный контроль параметра к в процессе эксплуатации клапана существенно затруднен, возникла необходимость определения зависимости величины к от других функциональных параметров клапана: Цоткр, ¿откр, изакр и ¿закр, контроль которых в процессе эксплуатации не вызывает затруднений. Для решения этой задачи были использованы известные многопараметрические модели с применением методов направленной селекции [2].
Процесс прогнозирования эксплуатационных изменений и ресурса клапана в этом случае основанный на применении методов регрессионного анализа для оценки изменения хода золотника к, который принят за зависимую переменную, от независимых переменных, которыми выступают количество циклов срабатывания клапана, ряд функциональных его параметров и материал штока. При этом считается, что ошибки прогнозирования имеют нормальное распределение относительно линии регрессии и взаимно независимы.
Проведенный регрессионный анализ (пошаговая регрессия) позволил получить для исследованного типа клапана для шестифак-торной модели вероятностную зависимость изменения величины к от рассматриваемых факторов, в которой м> является параметром, учитывающим материал штока: уу = 1 - сталь, м? — 2 - алюминий:
И = 1,0274 - 0,045229 С/закр + + 0,0062082^^-5,6039*-" 8 и^М - 0.017712£/откр и- + 3.3928е --1N №.
Полученная зависимость хода золотника к от функциональных параметров клапана с учетом материала штока позволяет с необходимой вероятностью прогнозировать изменение этого параметра при выработке ресурса клапана.
Выводы
Проведенные специальные ресурсные исследования малогабаритного двухпозиционного клапана с электромагнитным приводом показали, что его ресурс лимитируется усталостью материала шейки штока и уменьшением хода золотника.
Разработана вероятностная математическая модель прогнозирования изменения величины хода золотника с использованием методов направленной селекции. Получена вероятностная математическая зависимость величины хода золотника от числа циклов срабатывания клапана с учетом эксплуатационных изменений других функциональных параметров клапана и материала штока.
Результаты исследований рекомендуется использовать для оценки ресурсных возможностей клапанов данного типа на стадии их проектирования и опытной отработки.
Литература
1. Хильчевский В.В., Ситников А.Е., Анань-
евский В.А. Надежность трубопроводной пневмогидроарматуры. - М.: Машиностроение, 1989. - 208 с.
2. Ветров А.Н. Кучер А.Г. Вероятностные
методы оценки остаточного ресурса конструктивных элементов авиационных ГТД в эксплуатации // Проблемы прочности. - 1989. - № 8. - С. 70-76.
3. Ситников А.Е., Федоричко Я.Б., Кучер А.Г.,
Зайончковский Г.Й., Сухоруков А.Ю. Прогнозирование изменения функциональных параметров с электромагнитным приводом при выработке ресурса // Промислова пдравлша i пневматика: Всеукрашський науково-техн. журнал. -Вшниця: ПП «ЕДЕЛЬВЕЙС». - 2004. -№3(5).- С. 10-22.
Рецензент: Л.В. Назаров, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 15 июня 2007 г.
