СОДЕРЖАНИЕ
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ........................................ 5
ВВЕДЕНИЕ.................................................... 7
1. ТЕКУЩЕЕ СОСТОЯНИЕ, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ,
СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ПОВЫШЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ НАДЕЖНОСТИ ПРУЖИННОЙ И ГРУЗОВОЙ КЛАПАННОЙ ПНЕВМОАРМАТУРЫ....................................... 11
1.1. Общие сведения о типах предохранительно-регулирующей и управляемой клапанной ппевмоарматуры и принципах их выбора под конкретные условия работы в составе объекта.......... 11
1.2. Обзор опубликованных работ но динамическому качеству, тенденциям развития и перспективам повышения функциональной надежности беспружинной грузовой клапанной ппевмоарматуры... 27
1.3. Определение объекта и предмета исследования, цели и постановка задач исследования....................................... 35
2. КЛАССИФИЦИРОВАНИЕ И КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ БЕСПРУЖИННОЙ РЫЧАЖНО-ГРУЗОВОЙ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬНО-РЕГУЛИРУЮЩЕЙ И УПРАВЛЯЕМОЙ ПНЕВМОАРМАТУРЫ............................................. 38
2.1. Рычажно-грузовые предохранительные клапаны..........41
2.2. Рычажно-грузовые регуляторы давления............... 45
2.2.1. Общие сведения о методологии проектирования клапанных регулирующих устройств................................45
2.2.2. Конструктивное исполнение рычажно-грузовых регуляторов давления......................................... 57
2.3 Рычажно-грузовые электропневмоклапаны............... 63
2.4. Выводы..............................................75
2
3. ТЕОРЕТИКО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКОГО КАЧЕСТВА БЕСЛРУЖИННЫХ РЫЧАЖНО-ГРУЗОВЫХ КЛАПАННЫХ АГРЕГАТОВ........................ 78
3.1. Особенности расчета и сопоставление выходных параметров беспружинных грузовых и рычажно-грузовых предохранительных клапанов с выходными параметрами пружинных предохранительных устройств аналогичного назначения..................... 78
3.2. Расчет и сопоставление выходных характеристик беспружинных грузовых и рычажно-грузовых электропневмоклапанов с выходными характеристиками пружинных управляемых устройств аналогичного назначения...................................... 85
3.2.1. Грузовой мембранный электропневмоклапан и его пружинно-клапанный аналог............................ 85
3.2.2. Рычажно-грузовой мембранный электропневмоклапан
с фиксированным положением оси вращения двуплечего рычага и его рычажно-пружинный аналог...........100
3.3. Выводы..............................................115
4. ПРИМЕРЫ КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБОВ И СРЕДСТВ ПОВЫШЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ НАДЕЖНОСТИ БЕСПРУЖИННОЙ РЫЧАЖНО-ГРУЗОВОЙ КЛАПАННОЙ ПНЕВМОАРМАТУРЫ.... 117
4.1. Рычажно-грузовые предохранительные клапаны......... 117
4.2. Рычажно-фузовая управляемая пневмоарматура..........123
4.3. Рычажно-фузовая регулирующая пневмоарматура.........125
4.4. Систематизация и дополнение классификационных схем и конструкций рычажно-шарнирных механизмов беспружинной клапанной пневмоарматуры с рычажно-шарнирными кинематическими связями...................................................130
4.5. Выводы.........:................................... 136
3
ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................... 137
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..................... 139
ПРИЛОЖЕНИЕ П.1. ЛИСТИНГ ПРОГРАММЫ «РАСЧЕТ ДИНАМИЧЕСКОГО КАЧЕСТВА МЕМБРАННОГРУЗОВОГО ЭЛЕКТРОПНЕВМОКЛАПАНА».......................................... 153
ПРИЛОЖЕНИЕ П.2. ЛИСТИНГ ПРОГРАММЫ «РАСЧЕТ ДИНАМИЧЕСКОГО КАЧЕСТВА РЫЧАЖНОГО МЕМБРАННО-ГРУЗОВОГО ЭЛЕКТРОПНЕВМОКЛАПАНА»............................... 156
4
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
АФЧХ - амплитудно-фазово-частотная характеристика АЧДИ - автономные чистовые доводочные испытания АЧС - амплитудно-частотный спектр ВВФ - внешние воздействующие факторы
ГНГТ РКЦ - государственный научно-производственный ракетно-космический центр ГПТА - гидропневмотопливный агрегат ИО - исполнительный орган КДИ - конструкторско-доводочные испытания КРУ - клапанно-регулирующее устройство КУ - клапанное уплотнение МИМ - мембранный исполнительный механизм НТД- нормативно-техническая документация Орел ГТУ - Орловский государственный технический университет ПГС - пнсвмогидросистема ПК - предохранительный клапан ППП - пакет прикладных программ ПРИ - предварительные ресурсные испытания ПСИ — приёмно-сдаточные испытания РГПК — рычажно-грузовой предохранительный клапан РГРД - рычажно-грузовой регулятор давления
СамГУПС - Самарский государственный университет путей сообщения
САПР - система автоматизированного проектирования
САР - система автоматического регулирования
СГАУ — Самарский государственный аэрокосмический университет
ТАР - теория автоматического регулирования
ТЗ - техническое задание
ТТ - технические требования
5
ТТХ - тактико-технические характеристики
УНММ - упругопористый нетканый металлический материал
УС - уплотнительное соединение
ФПК - фактическая площадь контакта
ЧЭ — чувствительный элемент
ЭПК — электропневмоклапан
ЭУ — энергетическая установка
6
ВВЕДЕНИЕ
Клапанное агрегатостроение (арматуростроение), так же как и другие отрасли промышленности, должно иметь тщательно разработанные и научнометодически обоснованные методы решения технических вопросов, связанных с выбором типа, проектированием, изготовлением и доводкой выходных параметров пневмоарматуры. И хотя конструкции пневмоарматуры обычно не отличаются сложностью кинематических связей, тем не менее при ее проектировании конструктору приходится учитывать многочисленные, сложные и разнообразные явления (вопросы ударного контактирования клапанноседельных пар, гидравлики, трения, износа, эрозии, коррозии, прочности, в том числе динамической, влияние термоциклирования конструкции при резком перепаде температуры рабочей среды и др.) /3, 9, 11, 24, 35, 104 и др./.
Беспружинная автоматическая и управляемая клапанная пневмоарматура, существенную долю которой составляют грузовые и рычажно-грузовые конструкции, занимает должную нишу в клапанном агрегатостроении и широко применяется в различных отраслях отечественной промышленности, и прежде всего, в пневмосистемах управления и регулирования давления и расхода рабочих сред:
- наземных (стационарных) газогидротопливных комплексах заправки мобильной транспортной техники и индивидуальных потребителей сырьевых энсргоресурсов;
- с переменными теплофизическими свойствами газожидкостных сред в стационарных установках и оборудовании по производству высокомолекулярных соединений (пропилен, фенолформальдегидные смолы, поликарбонат и пр.) в химической, нефтяной и газовых отраслях промышленности;
- теплоснабжения бытового потребителя, тепловых, гидравлических и атомных электростанций в качестве защитных и предохранительно-регулирующих устройств резервуаров и сосудов с избыточным давлением
7
рабочих сред, испытывающих существенные перепады внешних климатических и механических воздействий;
- сырьевого горнодобывающего и агропромышленного комплексов с регулируемыми параметрами рабочих сред, используемых в качестве инструментария в различных технологических процессах (гидравлическое дробление горных пород; компрессорное вентилирование газовзрывоопасных производственных участков; пневмоавтоматика механизмов предупреждения и устранения сводообразований в бункерах хранения и выпуска сыпучих материалов и др.).
Непрерывность процесса увеличения объема и номенклатуры клапанных агрегатов в общем балансе оборудования транспортных систем подтверждается ходом развития отечественного и зарубежного транспортного машиностроения. Многообразие условий работы клапанных ГПТА и отсутствие у разработчиков единого подхода к их конструированию обусловило большое разнообразие конструкций. По ориентировочной оценке патентной службы СамГУПС в 2000 году в мировом фонде насчитывалось около 190 тысяч патентов, относящихся к пневмоарматуре, и их число ежегодно увеличивается более чем на две тысячи. Причем значительная доля патентов (до 15%) приходится на уплотнения клапанных агрегатов автоматики и управления. Это свидетельствует об определенном неблагополучии, неудовлетворенности практики существующими разработками клапанных ГПТА.
Как это ни неожиданно, но из оценки той же патентной службы вытекает, что за последние десять лет резко (почти на 70 %) сократилось патентование конструкций беспружинных клапанных агрегатов автоматики и управления, включая рычажно-грузовую арматуру, хотя, как известно, до технического совершенства их конструкций, приемлимых экономичности и динамического качества еще далеко.
В связи с этим отметим, что совершенствование известных и разработка новых типов беспружинных клапанных агрегатов автоматики и управления ввиду зачастую предвзятого (пренебрежительного) к ней отношения из-
за кажущейся конструктивной простоты такой арматуры (и вытекающего отсюда мнения об отсутствии здесь зон приложения углубленных знаний) весьма малопривлекательно для молодых ученых и, тем более, для маститых ученых ведущих научных школ в области клапанного афегатостроения.
Параллельно с этим следует указать на весьма существенные недостатки беспружинной рычажно-грузовой автоматической и управляемой клапанной пневмоарматуры, а именно: невысокая герметизирующая способность и малоподъемность клапанно-седельных пар, значительные массогабаритные параметры конструкции и офаниченность области применения из-за входящих в их состав фузов с тарированной массой, не допускающих изменения их ориентации относительно плоскости Земли.
Однако создание в СамГУПС при участии автора нового поколения беспружинной клапанной управляемой и автоматической пневмоарматуры с переставляемой осью вращения двуплечего рычага клапанно-поршневой системы коренным образом изменило мнение о технических возможностях бес-пружинных клапанных устройств и обеспечило возможность использования ряда из них в транспортной и другой технике, работа которых, в отличие от стационарных наземных объектов, сопровождается изменением их координации относительно плоскости Земли (робототехника, сварочные манипуляторы, все виды транспортных средств и др.).
За рамками настоящей работы оказались вопросы освещения современных методов обеспечения технологичности разрабатываемых типов бес-пружинных агрегатов автоматики и управления с учетом структурных и экономических преобразований, происходящих в отечественной промышленности и требующих корректировки и разработки новых подходов к этапам создания пневмоарматуры. Необходимо также учитывать, что неуклонное повышение стоимости материалов и энергоресурсов выводит показатели технологичности в перворазрядные, создавая ситуацию, при которой экономически невыгодными становятся большие объемы экспериментальных и доводочных работ. В связи с этим резко повышается роль машинных (инструмен-
тальных) методов и средств проектирования пневмоарматуры. При разработке программ для ЭВМ имеют важное значение данные, полученные предшественниками в процессе экспериментальных работ, и систематизация накопленной (в том числе в бывшем СССР, но забытой и невостребованной) информации по методам проектирования, изготовления и доводки выходных параметров пневмоарматуры.
В связи с этим, впервые, по мнению автора, предпринята попытка по формированию и насыщению банка данных по конструкторско-технологическим приемам создания беспружинной клапанной автоматической и управляемой пневмоарматуры на базе авторской трактовки их классификационной схемы, органически привязанной к конкретным примерам расчета динамического качества оцениваемых типов агрегатов автоматики и управления. При этом автор надеется, что результаты выполненной им кропотливой работы по формированию банка данных по беспружинной клапанной управляемой и автоматической пневмоарматуры окажутся полезными проектировщикам новой техники при совершенствовании известных и разработке новых сс типов, обеспечив сокращение затрат времени на их создание за счет переосмысления накопленного багажа знаний и опыта предшественников.
10
1 ТЕКУЩЕЕ СОСТОЯНИЕ, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ,
СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ПОВЫШЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ
НАДЕЖНОСТИ ПРУЖИННОЙ И ГРУЗОВОЙ КЛАПАННОЙ
ПНЕВМОАРМАТУРЫ
1.1 Общие сведения о типах предохранительно-регулирующей и управляемой клапанной пневмоарматуры и принципах их выбора под конкретные условия работы в составе объекта
В состав ПГС входят различные по назначению и устройству клапанные агрегаты, обеспечивающие в изменяющихся условиях эксплуатации удовлетворительную работу систем объекта.
Агрегаты представляют собой совокупность размещенных в едином корпусе исполнительных механизмов, обеспечивающих автоматическое управление системами объекта, регулирование их параметров и обслуживание.
Конструктивно исполнительные механизмы представляют собой ряд функционально связанных золотников, клапанных устройств, распределителей и других органов, открывающих и закрывающих проход газа или жидкости в рабочем тракте.
Клапанные устройства состоят из неподвижного запираемого элемента (седла), обычно выполняемого заодно или жестко закрепленного в корпусе исполнительного механизма, и подвижного запирающего элемента (запорный орган или клапан), приводимого в действие вручную (например, при помощи резьбового соединения или эксцентрикового механизма), автоматически под действием перепада давления рабочей среды или дистанционно при помощи управляющего механизма, а также размещенного между седлом и клапаном (как правило, в теле клапана) уплотняющего элемента (клапанное уплотнение из эластомера, полимера или металла). При работе клапанного устройства поток рабочей среды перекрывается при посадке запорного органа на седло, причем герметизация сопряженных поверхностей запорного ор-
гана и седла по КУ обеспечивается при помощи усилия, создаваемого пружинным задатчиком нагрузки, либо автономным приводом или перепадом давления на запорном органе.
По принципу действия клапанные устройства могут быть автоматическими, то есть самодействующими (агрегаты автоматики), срабатывающими под действием сил давления рабочей среды в рабочем тракте без подачи каких-либо посторонних команд и управляемыми (агрегаты управления), срабатывающими при подаче командного сигнала (задействующего автономное приводное устройство), непосредственно не связанного с давлением или расходом рабочей среды в тракте /42, 49/.
К агрегатам автоматики может быть отнесена аппаратура защиты и предохранения пневмосистем объектов (дренажно-предохранительные, обратные, сливные, перекрывные, перепускные, аварийные, редукционные или регулирующие и др.).
В частности, дренажный клапан предназначен для сообщения в определенные моменты полостей агрегата с окружающей средой с целью удаления из них избыточной массы рабочей среды.
Предохранительные клапаны предотвращают чрезмерное повышение давления рабочей среды в защищаемой полости корпуса, способного привести к ее разрушению /41/.
Обратные клапаны не допускают течение газа или жидкости в обратном направлении.
Сливные и заправочные клапаны устанавливаются вместо сливных резьбовых пробок или съемных дренажных крышек в случаях, когда необходимо обеспечить дистанционное управление заправкой или сливом рабочей среды.
Редукционные и регулирующие клапаны обеспечивают поддержание стабильного значения давления или расхода рабочей среды, потребляемой от источника с избыточным давлением рабочей среды по мере его опорожнения или в результате изменения потребляемого расхода рабочей среды.
12
К агрегатам управления могут быть отнесены электромагнитные, ЭПК, разделительные, пускоотсечные, рециркулярные и пироуправляемые клапаны.
Электромагнитные клапаны обеспечивают открытие проходного траста «Вход» - «Выход» путем принудительного отхода запорного органа от седла за счет тягового усилия электромагнита (рисунок 1.1, а), электропневмоклапаны - за счет срабатывания электромагнитного устройства, изменяющего соотношение сил, действующих на поджатый к седлу запорный орган (рисунок 1.1,6).
Рисунок 1.1 — Структурные решения конструкции электропненмок-лапана
Выход
Пусковым является нормально закрытый клапан, который при срабатывании обеспечивает подачу рабочей среды от входа клапана в раздаточную магистраль (рисунок 1.2).
і
Выход
—ЕЕ
Упрод/ение . /но отхрыти?)
Г
Рисунок 1.2. - Структурная схема пускового клапана
Отсечной клапан является нормально открытым, при срабатывании перекрывающим раздаточную магистраль (рисунок 1.3).
- Київ+380960830922