CC BY
50
УДК 629.78.01:621.828
В. В. Кузнецов Научный руководитель - С. П. Ереско Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ УСТРОЙСТВ УДЕРЖАНИЯ И ОСВОБОЖДЕНИЯ ПОДВИЖНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Приведено описание конструкции устройств удержания и освобождения подвижных элементов конструкции космических аппаратов, указаны достоинства предлагаемого устройства.
В настоящее время, в современных космических аппаратах (КА), применяется высокоточное оборудование, чувствительное к ударным воздействиям. В связи с этим возникает необходимость и потребность в создании механических устройств удержания и освобождения подвижных элементов конструкции КА с пониженным ударным воздействием при срабатывании.
Основным источником ударных воздействий, в механических устройствах удержания и освобождения подвижных элементов конструкции КА, являются такие элементы как пружины, а точнее элементы конструкции которые после проворачивания, или выталкивания пружинами ударяются о другие элементы. Помимо ударных воздействий от срабатывания таких устройств, на оборудование КА передается ударное воздействие от срабатывания пиросредств (пирочеки, пироузлы и т. д.) служащих для освобождения тяг, которые удерживают механические устройства от срабатывания. Так же такие устройства имеют большое количество деталей и как следствие усложнение конструкции и снижение надежности устройства в целом.
В связи со всем вышеперечисленным предлагается использовать механическое устройство, для удержа-
ния подвижных элементов конструкции, которое не содержит пружин, соударяющихся элементов и имеет минимальное количество деталей и простоту конструкции. Для создания такого устройства, необходимо отходить от полностью механических схем, и интегрировать в него активирующий механизм (актуатор) не основанный на пиросредствах.
Работа направлена на разработку такого типа устройства удержания и освобождения подвижных элементов конструкции КА с пониженным ударным воздействием при срабатывании.
Устройство удержания и освобождения такого типа имеет массу в среднем в 2,5 раза меньшую чем устройства удержания и освобождения основанные на механических схемах, при одинаковых параметрах силового нагружения, оказывает практически нулевые ударные воздействия на оборудование КА и повышают надежность работы механических систем, удешевляя запуск КА в связи с уменьшением его массы.
Таким образом, разработка и использование устройств такого типа являются перспективным и приоритетным.
© Кузнецов В. В., 2014
УДК 621.22
Е. В. Кукушкин, В. А. Меновщиков, Т. Т. Ереско Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск
ВОПРОСЫ ФОРМИРОВАНИЯ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН В МАТЕРИАЛАХ ИГОЛЬЧАТЫХ ПОДШИПНИКОВ КАРДАННЫХ ШАРНИРОВ
Рассматриваются основные вопросы, связанные с процессами формирования усталостных трещин в материалах игольчатых подшипников карданных передач в зоне силового контакта.
Изнашивание карданных шарниров зависит от физико-химических и механических процессов, протекающих в контакте. Большое влияние на процесс имеет кинематика движения сопряжений (скольжение, качение, качение со скольжением, качение под нагрузкой и др.), структура и состав поверхностных и приповерхностных слоев материалов, состояние смазочного слоя, образование поверхностных соединений, геометрические характеристики контактирующих поверхностей и изменение их во времени [1].
В связи с различными процессами разрушения игольчатых подшипников при низких и высоких
уровнях максимальных напряжений цикла, будем рассматривать вопросы малоцикловой усталости и образования усталостных трещин в материалах игольчатых подшипников карданных шарниров, происходящее при упругопластическом деформировании. Предполагается, что уровень воздействий таков, что возникающие при этом пластические деформации в металле в процессе нагружения настолько малы, что обнаружить их затруднительно, т. е. в основном металл в процессе нагружения претерпевает только упругие деформации. В случае более высокого уровня воздействий, когда пластические деформации стано-
Секция «Проектирование машин и робототехника»
вятся заметными, а долговечность относительно невелика, возникает малоцикловая усталость. При малоцикловом изнашивании совместное действие нормальной и касательной нагрузок при трении приводит к тому, что максимальное касательное напряжение возникает не на поверхности, а под пятном контакта на небольшой глубине, где накапливаются повреждения и образуются трещины [1-2].
Усталостное разрушение поверхностного слоя происходит в игольчатых подшипниках, подвергающихся длительному нагружению переменными усилиями. Усталостные трещины возникают на поверхности трения распространяются вглубь слоя. Постепенно удлиняясь, мелкие трещины образуют сетку на отдельных ограниченных или больших участках поверхности. При этом раскрытие трещин происходит под действием пульсирующего давления смазочного материала.
Трещина, достигнув основания антифрикционного слоя, изменяет свое направление, распространяясь по стыку между основанием и слоем, впоследствии отдельные участки поверхностного слоя выкрашиваются. Выкрашивание крупных кусков поверхностного слоя сопровождается образованием поверхностных «язв», которые забиваются продуктами износа, действующими как абразив. Образование трещин повышает износ поверхностей трения, острые кромки производят режущее действие, а вблизи кромок происходит выкрашивание поверхности материала.
Циклически изменяющиеся контактные напряжения вызывают поверхностные разрушения в виде ямок выкрашивания, называемые питтингом. Образовавшиеся раковины размерами от сотых долей миллиметра до нескольких миллиметров увеличиваются в процессе работы узла трения, и возникает шелушение поверхности.
В своих работах И. В. Крагельский разработал уравнение для фрикционной усталости (1) и развил фрикционно усталостная модель, в которой учитываются процессы на уровне влияния шероховатости поверхностей, при относительном скольжении трущихся тел происходит разрушение в результате многократного деформирования истираемого материала жесткими микронеровностями контртела [1].
I» =
/¥Ла Кргп
(1)
4 = к
WHRa
N7,
(3)
^ /
тогда долговечность по изнашиванию получим в виде (4):
4 =
[и ]
где
51 =
120/»^
(4)
180
С учетом вероятностных характеристик (до 90 %) расчет ресурса по долговечности определится по зависимости (5) для оценки упругопластических деформаций:
и =
'у [1 - UpV (у)]
= (ааатацг)а. (5)
тогда согласно [1] c учетом износа контактирующих поверхностей наиболее опасным считаем износ поверхности внутреннего кольца (шипа) крестовины. Интенсивность изнашивания определяется по зависимости (2) и c учетом несущей способности масляного слоя, микрогеометрию свойств контактирующих поверхностей, а также физические свойства, будет иметь вид (3):
и = 1„Б <[и], (2)
/ \ т1
Процесс накопления повреждений при скольжении тел в условии качения под нагрузкой имеет определенную стадийность. Сначала происходит накопление упругих искажений решетки и увеличивает плотность дислокаций. После достижения критической плотности дислокаций возникают субмикроскопические трещины. Вместе с необратимыми искажениями кристаллической решетки нарушаются межатомные связи и разрушаются отдельные микрообъемы [1-3].
Исследованиями Я. Г. Пановко [1] установлено, что в парах трения при эксплуатации возникают вынужденные гармонические колебания с частотами до 100 кГц и выше. Величины частот колебаний определяются скоростью относительного перемещения и степенью шероховатости контактирующих поверхностей. Амплитуды колебаний зависят от физико-механических свойств контактирующих пар в условиях нагружения. Вынужденные колебания являются причиной возникновения и развития усталостных трещин, приводящих в итоге к разрушению. Особый интерес в механике разрушения игольчатых подшипников при малоцикловой усталости представляет фактор времени. С ним связан широкий круг задач по прогнозированию долговечности конструкционных материалов и управлению сроком службы изделий.
На основе проведенного анализа были поставлены следующие задачи:
4. Исследовать процесс формирования усталостных трещин и момент времени, когда появляются усталостные трещины в материалах игольчатых подшипников карданных передач.
5. Исследовать процесс разрушения игольчатых подшипников, развивающийся в течение конечного времени в зависимости от скорости нагружения.
В заключение отметим, что многие недостатки отечественных машин, их низкий ресурс связаны с недооценкой динамики при расчете, проектировании и эксплуатации. Физические процессы при трении качения игольчатого подшипника обусловлены закономерностями взаимодействия твердых тел, при упругой и пластической деформации микронеровностей поверхностей, теплопереносом, адгезией и гидродинамикой смазки. Существенным во всей приведенной работе, по нашему мнению, является то, что процесс формирования усталостных трещин в материалах игольчатых подшипников карданных передач при малоцикловой усталости игольчатых подшипников является актуальным вопросом и требует дополнительных исследований в этом направлении.
Библиографические ссылки
1. Меновщиков В. А., Ереско С. П. Исследование и совершенствование игольчатых подшипников карданных передач транспортно-технологических машин : монография. Красноярск : Изд-во КрасГАУ, 2006. 283 с.
2. Беркович И. И., Громаковский Д. Г. Трибология. Физические основы, механика и технические приложения : учебник для вузов / под ред. Д. Г. Гро-
маковского ; Самар. гос. техн. ун-т. Самара, 2000. 268 с.
3. Регель В. Р., Слуцкер А. И. Структурно-динамическая гетерогенность - основа физики разрушения твердых тел // Соросовский образовательный журнал. Т. 8. № 1. 2004. С. 86-92.
© Кукушкин Е. В., Меновщиков В. А., Ереско Т. Т. 2014
УДК 621.22
А. А. Орлов Научный руководитель - С. П. Ереско Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ УПЛОТНИТЕЛЬНЫХ УЗЛОВ В ТУРБОНАСОСНЫХ АГРЕГАТАХ
Рассматриваются основные проблемы и вопросы, связанные процессами, возникающими в узлах уплотнений вращающегося вала в турбонасосных агрегатах.
Уплотнения в ТНА выполняют специфические функции: герметизируют газовые полости турбины от насосов, разделяют полости насосов, предотвращая утечки компонентов или прорыв газа в проточную полость насоса из полости турбины, уплотняют полости подшипников. От их работы зависит объемный КПД насоса или турбины и общий энергетический баланс ТНА. По статистике 60 % выходов из строя ТНА связанны с нарушением работы уплотнений
В уплотнениях агрегатов подачи ЖРД применяются уплотнения с гарантированным зазором и прирабатывающиеся уплотнения. Среди них можно выделить: уплотнения с плавающими кольцами, уплотнения с полуподвижными кольцами, щелевые уплотнения, лабиринтные уплотнения, прирабатывающиеся уплотнения с полуподвижными кольцами, прирабатывающиеся щелевые уплотнения. При использовании прирабатывающихся уплотнений во время работы агрегата между элементами ротора и уплотнения имеется механический контакт, что ведет либо к местной приработке и выработке уплотнения, либо к приработке по всей окружности. Использование прирабатывающихся уплотнений требует применения специальных легко прирабатывающихся материалов. В то же время следует отметить, что в случае применения в агрегате прирабатывающихся уплотнений характеристики агрегата могут изменяться от пуска к пуску агрегата вследствие выработки элементов уплотнения.
Особые требования предъявляются к уплотнениям, работающим во взрыво- и пожароопасных средах, использующихся в качестве компонентов топлива современных ЖРД, таких как жидкие и газообразные кислород [1] и водород, высокотемпературный газ с избытком водорода или высокотемпературный окислительный газ. Применяемые конструкции уплотнений роторных машин, работающие при значительных перепадах давления (до 50 МПа) и скоростях перемещений уплотняющих поверхностей (до 500 м/с), созданы путем длительных опытных отработок на кон-
кретные параметры. Ошибки и недочеты в расчете и конструировании уплотнений ТНА ЖРД приводят к повышенному износу элементов уплотнений, наклепам, фреттингу и могут служить причиной заклинивания ротора и возгорания узла уплотнения [2]. Одной из основных проблем при конструировании уп-лотнительных узлов является выбор материалов. Так, для турбонасосных агрегатов ракетных двигателей важнейшее значение имеет совместимость материала уплотнений с компонентами ракетного топлива и обеспечение работоспособности узлов как при низких температурах (до 20 °К) в криогенных жидкостях, так и высоких (до 1300 °К) в узлах турбин. Низкая температура жидкого рабочего топлива для уплотнений ТНА является причиной возникновения значительных температурных градиентов, если уплотнительный узел находится вблизи газовых полостей и трактов турбины. Дополнительные проблемы возникают также из-за тепловыделения между уплотняющими поверхностями (из-за сухого, жидкостного или комбинированного трения) при высоких скоростях скольжения. При проектировании уплотнений необходимо учитывать деформации деталей от перепада давления, центробежных сил и температурных воздействий. Для минимизации влияния этих деформаций на работоспособность и повышения эффективности уплотнения стараются уплотняющие поверхности разместить на возможно меньшем диаметре. Это способствует снижению утечек через уплотнение, так как утечка прямо пропорциональна рабочему зазору и квадрату [3] диаметра уплотняемого ротора, однако при этом ухудшается теплоотвод от зоны контакта и увеличивается частота деформаций губки манжеты, обусловленная биением уплотняемого вала. На практике при проектировании ТНА возникает ситуация когда ни одно из существующих решений не удовлетворяет заданному комплексу требований, и тогда выделяется главное из них, например герметичность и узел выполняется с некоторым нарушением всех остальных
