В избранное

2424

Анализ особенностей конструкции, эксплуатации и испытаний двигателя РД-600В

Дипломная

Астрономия и авиация

В дипломном проекте рассмотрены особенности конструкции вертолётного двигателя Сатурн РД-600В. Выполнена оценка его надёжности и технологичности. Выявлены причины разрушения ведущей шестерни редуктора. Произведен анализ технологического процесса испытания двигателя Сатурн РД-600В. Даны рекомендации по совершенствованию технологического процесса испытания, путём внедрения оборудования позволяющего сократить трудоёмкость проведения специальных испытаний.

Русский

2013-01-06

4.86 MB

64 чел.

Введение

Авиационный двигатель - самый напряженный механический агрегат, созданный человечеством: удельное выделение энергии в авиадвигателе на два порядка больше, чем в аналогичном объеме в атомном реакторе. Авиационные воздушно-реактивные двигатели (ВРД) представляют собой тепловые машины. Элементы конструкции двигателя работают в сложных условиях — при высоких значениях температур и давлений, поэтому к авиационным воздушно-реактивным двигателям предъявляют жесткие требования. Прежде всего, двигатель должен иметь необходимую силу тяги (мощность) при относительно малой массе и высокой надежности конструкции. Известно, что на надежность двигателя оказывает существенное влияние масса конструкции. Конструктор старается снизить до минимума массу деталей и всего двигателя, обеспечив при этом необходимую прочность и жесткость.

Надежность деталей и двигателя в целом, качество его изготовления в производственных условиях проверяются в процессе испытаний, поэтому все авиационные двигатели проходят испытания.

Испытание ТВД является сложным и трудоемким технологическим процессом, завершающим процесс производства двигателя. Следует указать на большую трудоемкость доводки вновь сконструированного двигателя. Обычно испытания занимают примерно 70% времени, затрачиваемого на создание двигателя, поэтому процесс испытания двигателей должен подвергаться непрерывному совершенствованию. [26]

В конце 80-х, когда стартовали работы по двигателю РД-600В, стране был необходим принципиально новый вертолет. Существовали реальные потребности и в вертолетах иного функционального назначения: для перевозки небольших групп людей и грузов весом до 2,5 тонны. Таким образом, начало разработки вертолетов, как Ка - 60, Ка - 62 и их модификаций, было велением времени. Новому вертолету был нужен новый двигатель.

В результате был создан РД-бООВ - это высокоэкономичный турбовальный двигатель модульной конструкции, оснащенный электронной цифровой системой автоматического управления, топливопитания, контроля и диагностики. Удельные характеристики РД-бООВ, единственного двигателя в России в классе мощности 1500 л.с., соответствуют лучшим зарубежным аналогам. Ряд конструкторских решений, заложенных в РД-бООВ, впервые применен в отечественном двигателестроении.

30 декабря 2003 года состоялось вручение ОАО НПО «Сатурн» сертификата типа Авиационного регистра Межгосударственного авиационного комитета на турбовальный двигатель РД-600В. [20]

После получения сертификата продолжается работа по доводке двигателя. В ходе этого процесса проводятся мероприятия направленные на улучшение показателей надёжности, технологичности и долговечности данного двигателя. Кроме ресурсных испытаний в процессе доводки проводится ряд специальных испытаний необходимых для подтверждения эффективности внедрённых в конструкцию двигателя доработок. В том числе проводятся испытания на подтверждения показателей птицестойкости полученных расчётным путём при создании двигателя.

Проблема работоспособности авиадвигателей при попадании в них птиц приобретает всё большую актуальность. Управление гражданской авиацией  Великобритании заявило, что уже подготовлены сертификационные требования по повышению уровня сохранения работоспособности авиационных двигателей вследствие увеличения риска при серьезных столкновениях самолетов с птицами.[30] Разные части воздушного судна имеют различную частоту соударений. Птицы попадают в двигатели в более 40% случаев, в части крыла – примерно в 25%, в обтекатель радиолокатора – в 8%, в фары и остекление – в 6 и 4% случаев соответственно. Уровень повреждений при этом среди регистрируемых столкновений доходит до 70% от общего количества попаданий.[20]

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что в скором времени возникнет необходимость в проведении повторных испытаний с имитацией попадания птиц в двигатель с более жёсткими требованиями и условиями.

В дипломном проекте проведён анализ особенностей конструкции, эксплуатации и испытаний двигателя РД-600В; качественный и количественный анализ надежности и технологичности; анализ технологического процесса испытаний и оборудования.

Так же предложены мероприятия по повышению эффективности процесса испытания данного изделия, разработаны чертежи и технические плакаты для иллюстрирования некоторых теоретических положений и результатов расчётов.


1 Анализ и совершенствование конструкции 

вертолётного двигателя Сатурн РД-600В

Двигатель Сатурн РД-600В предназначен для установки на многоцелевой двухдвигательный вертолёт Ка-62, а также на многоцелевой двухдвигательный самолёт-амфибию «Ямал». В настоящее время двигатели данного типа проходят испытания в составе вертолёта Ка-62 и длительные испытания по продлению всех видов ресурса.

Внешний вид двигателя Сатурн РД-600В представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 – Внешний вид двигателя РД-600В

1.1 Особенности конструкции, условия эксплуатации и испытаний

Особенностью конструкции двигателя является наличие свободной турбины (СТ), кинематически не связанной с ротором турбокомпрессора (ТК). Мощность, развиваемая свободной турбиной, передается главному редуктору вертолета и составляет эффективную мощность двигателя. Так же необходимо отметить следующие особенности:

  1.  модульность конструкции;
  2.  встроенное высокоэффективное пылезащитное устройство;
  3.  электронная цифровая двухканальная с полной ответственностью система автоматического управления с резервным гидромеханическим каналом;
  4.  развитая система контроля и диагностики;
  5.  встроенный промежуточный редуктор с муфтой свободного хода (обороты выходного вала 6000 об/мин)

Двигатель состоит из следующих основных узлов и систем:

  1.  пылезащитного устройства (ПЗУ);
  2.  комбинированного осецентробежного компрессора;
  3.  кольцевой противоточной камеры сгорания (КС);
  4.  турбины компрессора;
  5.  свободной турбины;
  6.  выходного устройства;
  7.  редуктора с коробкой приводов;
  8.  системы смазки и суфлирования;
  9.  топливной системы;
  10.  системы отбора воздуха;
  11.  системы автоматического управления;
  12.  бортовой системы контроля и диагностирования;
  13.  системы запуска.

Описание и работа двигателя Сатурн РД-600В

Продольный разрез двигателя показан на рисунке 2.

Для обеспечения высокого уровня технологичности и ремонтопригодности двигатель имеет модульную конструкцию и состоит из следующих модулей:

  1.  базовый модуль;
  2.  свободная турбина;
  3.  пылезащитное устройство;
  4.  маслобак;
  5.  редуктор с коробкой приводов;
  6.  выходное устройство.

Каждый модуль представляет собой независимый блок.

Все шесть модулей выполнены с обеспечением полной конструктивной взаимозаменяемости. Все модули имеют единственное положение в двигателе. Постановка в ином положении невозможна. Взаимная центровка модулей обеспечивается конструктивными элементами (штифтами, посадочными буртами) и достаточной точностью исполнения стыковочных фланцев.


1- выводной вал; 2 – муфта свободного хода; 3 – редуктор с коробкой приводов; 4 – компрессор осецентробежный; 5 – пылезащитное устройство; 6 – камера сгорания; 7 – форсунка топливная; 8 – турбина компрессора; 9 – свободная турбина; 10- выходное устройство; 11 –  задняя опора ротора свободной турбины; 12 -  передняя опора ротора свободной турбины; 13 – задняя опора ротора турбокомпрессора; 14- передняя опора ротора турбокомпрессора; 15 – масляный бак

Рисунок 2 -  продольный разрез двигателя Сатурн РД-600В


Базовый модуль включает: компрессор двигателя; камеру сгорания, турбину компрессора и промежуточный корпус.

Компрессор двигателя - осецентробежный, имеет три осевых и одну центробежную ступень, с поворотными лопатками входного направляющего аппарата (РВНА) и направляющих аппаратов первой и второй ступеней (РНА), с клапаном перепуска воздуха из-за осевых ступеней компрессора.

Корпус компрессора состоит из корпуса осевых ступеней и корпуса центробежной ступени.

Корпус осевых ступеней имеет продольный разъем в горизонтальной плоскости, в половинках корпуса размещены: регулируемые направляюще аппараты первой и второй ступеней и направляющий аппарат 3-й ступени. Лопатки всех ступеней консольные. Передним фланцем корпус осевых ступеней стыкуется с корпусом регулируемого входного направляющего аппарата, а задним стыкуется с передним фланцем корпуса центробежной ступени и передним наружным фланцем конуса корпуса компрессора. К внутреннему фланцу конуса корпуса крепится радиальный лопаточный диффузор. Задний фланец конуса корпуса стыкуется с разделительным корпусом, в котором расположен спрямляющий аппарат. В корпусе компрессора выполнены окна для осмотра лопаток ротора первой, второй осевых ступеней и входных кромок лопаток центробежного колеса компрессора.

Ротор компрессора - барабанно-дискового типа имеет три рабочих колеса осевых ступеней и одно рабочее колесо центробежной ступени компрессора. Крепление лопаток в дисках рабочих колес осевых ступеней осуществляется замком типа «ласточкин хвост». Между дисками размещаются проставки. Спереди к диску первой ступени крепится передняя цапфа. Диски осевых и центробежного рабочих колес, проставки и цапфа между собой крепятся призонными болтами. Задний фланец рабочего колеса центробежной ступени компрессора соединяется с валом турбины с помощью шпилек. На роторе размещен передний шариковый подшипник.

Передний корпус компрессора служит для формирования проточной части перед компрессором установки поворотных лопаток РВНА и редуктора, на котором размещаются приводные агрегаты и датчики двигателя.

Камера сгорания - кольцевая, противоточная.

Топливо в камеру сгорания подводится через 16 центробежных форсунок две из них, в районе свечей зажигания - двухканальные.


Узел турбины состоит из кинематически не связанных между собой турбины компрессора и свободной турбины.

Турбина компрессора - осевая, двухступенчатая, состоит из статора и ротора.

Статор состоит из корпуса, двух сопловых аппаратов (СА) и колец, расположенных над рабочими колесами 1 и 2 ступеней. Лопатки СА 1 и 2 ступеней - полые, охлаждаемые.

Ротор турбины компрессора состоит из двух дисков, которые при сборке двигателя монтируются на вал-цапфу компрессора и стягиваются с входящими в пакет деталями силовой гайкой. Крепление рабочих лопаток в дисках осуществляется замком типа «елочка». Лопатки 1 ступени - пустотелые, 2 ступени - имеют внутреннюю полость, охлаждаемые. Полотна, ступицы дисков, замки охлаждаются воздухом, поступающим из зоны вторичного воздуха камеры сгорания.

Передача крутящего момента осуществляется от диска 2 ступени через штифты, расположенные в выступах дисков на ступице к диску 1 ступени, и от диска 1 ступени через шлицы на внутренней поверхности пояска покрывного диска - на цапфу. На концевой участок цапфы монтируется роликовый подшипник.

Промежуточный корпус является элементом, образующим проточную часть между турбинами и силовыми элементами для крепления к нему маслокартера, в котором размещается роликовый подшипник опор роторов. Промежуточный корпус крепится к стыку наружного кольца свободной турбины и к корпусу камеры сгорания.

Свободная турбина - осевая, двухступенчатая, состоит из статора и ротора.

Статор состоит из корпуса, двух сопловых аппаратов и двух колец, расположенных над рабочими лопатками. Сопловые лопатки пустотелые, охлаждаемые.

Ротор свободной турбины состоит из двух дисков, собираемых в единый пакет, и скрепляемых призонными болтами, расположенными на ступице вала. Крепление рабочих лопаток в дисках осуществляется замком типа «елочка». На концах рабочих лопаток выполнены полки, которые образуют кольцевой бандаж на периферии рабочего колеса. Ротор свободной турбины в задней части имеет два роликоподшипника. Пакет роликоподшипников и лабиринтов на валу крепится гайкой. Передний конец вала имеет шлицы для передачи крутящего момента на центральную шестерню редуктора. Стяжка ротора с редуктором осуществляется гайкой через переднюю часть редуктора.

Пылезащитное устройство (ПЗУ) предназначено для защиты проточной части двигателя от вредного воздействия пыли. ПЗУ вместе с внутренней поверхностью маслобака составляет воздуховод, обеспечивающий подвод воздуха к компрессору. Верхним фланцем ПЗУ стыкуется с воздухозаборником вертолета. Пылевой концентрат отсасывается эжекторами. Включение и выключение воздуха на эжекцию осуществляется клапаном, управляемым из кабины вертолета. Воздух к эжектору подводится из-за блока осевых ступеней компрессора.

Выходное устройство предназначено для обеспечения отвода газа в атмосферу и представляет собой кольцевой диффузор, состоящий из внешней и внутренней обечаек, соединенных между собой шестью стяжками круглого сечения.

Редуктор предназначен для передачи крутящего момента от вала свободной турбины к валу главного редуктора вертолета, а также для размещения приводных агрегатов, обслуживающих двигатель. Редуктор несоосный, включает в себя две самостоятельные ветви и состоит из силового редуктора (с муфтой свободного хода (МСХ) и встроенным измерителем крутящего момента) и коробки приводов агрегатов, объединенных общим корпусом с крышкой. Кинематическая схема коробки приводов агрегатов и редуктора показана на рисунке 3.

Коробка приводов агрегатов двигателя выполнена в объединенном корпусе совместно с редуктором и под общей крышкой. Привод агрегатов осуществляется от вала ротора турбокомпрессора через центральный привод, далее на консольно-расположенные шестерни.

Смазка шестерен и подшипников осуществляется струйным поливом рабочего масла через форсунки основной маслосистемы.

Привод силового редуктора производится от вала свободной турбины, один конец которого закреплен в центральной шестерне редуктора.

Силовой редуктор двухступенчатый, первая пара - с косозубыми шестернями, вторая - с прямозубыми.

Силовой редуктор снабжен встроенным измерителем крутящего момента торсионного типа, работающим совместно с блоком датчиков ДЧВ, состоящим из двух штук. Степень редукции L =0,24587.

На выводном валу установлена муфта свободного хода (МСХ) с эксцентриковыми роликами. Направление вращения выводного вала - по часовой стрелке, при виде по полету.

Рисунок 3 – Кинематическая схема редуктора

Муфта свободного хода состоит из наружной приводной обоймы; внутренней обоймы, которая соединена с поводком; двух шариковых подшипников  и эксцентриковых роликов. Поводок соединяется с главным редуктором через промежуточный вал.

При передаче мощности от двигателя к главному редуктору муфта заклинивается эксцентриковыми роликами, а при обгоне вала главного редуктора происходит расклинка роликов между обоймами и МСХ проскальзывает.

Редуктор расположен со стороны входного устройства. Корпус и крышка редуктора выполнены из магниевого сплава и крепятся к входному корпусу компрессора при помощи шпилек, расположенных на редукторе. Коробка приводов и редуктор оборудованы резервной системой смазки. При отказе основной маслосистемы открывается клапан и масло из резервного бачка V = 600 см3, расположенного в редукторе, поступает в маслокартер коробки приводов, захватывается циркулятором и подается в резервный канал, откуда поступает к форсункам для смазки шестерен, подшипников редуктора и коробки приводов, а также на смазку переднего шарикоподшипника турбокомпрессора.

На редукторе размещаются следующие агрегаты и приборы: генератор АГ-0.25Д; насос-регулятор НР-87; подкачивающий насос ДЦН-104; маслоагрегат; центробежный суфлер встроенного типа; регулятор оборотов РО-87; турбостартер воздушный ТСВ-87; блок датчиков ДЧВ-2 из двух штук для контроля крутящего момента на выходном валу редуктора; датчик ДЧВ-2 для контроля частоты вращения вала свободной турбины.

Приводные и неприводные агрегаты двигателя расположены на передней крышке коробки приводов. Все агрегаты расположены со стороны выходного вала редуктора. На редукторе предусмотрен привод ручной прокрутки ротора турбокомпрессора и вала свободной турбины с быстросъемными заглушками.

Масляная система двигателя выполнена по открытой схеме с принудительной циркуляцией масла. Подача масла на смазку осуществляется нагнетающей ступенью маслоагрегата. Откачиваемое масло от опор турбины и из редуктора проходит последовательно через воздухоотделитель, воздухомасляный теплообменник и поступает в маслобак. На линии откачки установлен сигнализатор наличия стружки. Суфлирование опор и маслобака осуществляется через приводной центробежный суфлер с атмосферой

Система топливопитания предназначена для подачи и регулирования расхода топлива в камеру сгорания двигателя, а также для управления в системе механизацией компрессора.

Дренажная система предназначена для утилизации утечек топлива и масла через уплотнения агрегатов, из камеры сгорания и для продувки коллекторов.

Система запуска предназначена для обеспечения холодной прокрутки, ложного и горячего запусков двигателя и его останова. Управление агрегатами системы запуска осуществляется системой автоматического управления (САУ) в соответствии с циклограммой запуска. Раскрутка ротора турбокомпрессора осуществляется воздушным турбостартером, установленным на редукторе двигателя.

Система отбора воздуха предназначена для:

  1.  подачи горячего воздуха в противообледенительную систему (ПОС) двигателя и вертолета;
  2.  подачи воздуха в систему кондиционирования вертолета;
  3.  перепуска воздуха из-за осевых ступеней турбокомпрессора в атмосферу с целью повышения запасов газодинамической устойчивости компрессора.

Система автоматического управления (САУ) обеспечивает запуск, режимную работу, останов и защиту двигателя от перегрузок, контроль работы и диагностирование двигателя. САУ состоит из электронно-цифрового регулятора и гидромеханических агрегатов.

Контроль параметров и диагностирование двигателя производятся бортовой системой контроля и диагностирования (БСКД), которая осуществляет:

  1.  непрерывный контроль параметров в полете по специальным алгоритмам, обеспечивающим оценку технического состояния двигателя и режимов его работы;
  2.  выявление неисправностей и отказов, влияющих на формирование оперативных решений о необходимых действиях экипажа в полете, а также обслуживающего персонала при послеполетных проверках;
  3.  прогнозирование технического состояния двигателя для предотвращения опасных отказов в полете путем экспресс-анализа информации, зарегистрированной бортовым накопителем.

БСКД включает в себя блоки и системы установленные непосредственно на двигателе (встроенные средства контроля, регулятор электронный двигателя (РЭД)), а так же блоки и системы летательного аппарата (блок управления силовой установкой (БУСУ), бортовое устройство регистрации параметров (БУР), бортовую автоматизированную систему контроля (БАСК) с блоком документирования (ДК), блок сбора параметрической информации (БСПИ), систему аварийной сигнализации (САС), речевой информатор (РИ), систему отображения информации (СОИ)).

На двигателе устанавливаются только датчики, преобразующие его параметры в электрические сигналы. Все остальное оборудование: приборы, блоки, преобразователи, индикаторы, сигнальные лампы, табло -размещено в фюзеляже и кабине вертолета.

Крепление двигателя на вертолете осуществляется за узлы крепления, расположенные на корпусе редуктора и силовом корпусе турбины.

Основные технические данные двигателя

1 Направление вращения роторов (по ГОСТ 22378-77)

(смотреть со стороны турбины в сторону компрессора):

ротора турбокомпрессора      против вращения часовой

стрелки

ротора свободной турбины     по вращению часовой

стрелки

2. Габаритные размеры

двигателя, не более, мм:

  1.  длина        1556,8
  2.  высота       837
  3.  ширина       740

3. Масса двигателя сухая, кг     220

4. Режимы работы двигателя (см. таблицу №1)  

Таблица 1 - Режимы работы двигателя

Режим работы

Мощность на выходном валу, л. с., не менее

Удельный расход топлива, кг/л.с.ч, не более, выкл. ПЗУ/вкл. ПЗУ

Чрезвычайный

1550

-

Максимальный

1300

0,209/0,214

Номинальный

1110

219

Крейсерский

1000

0,225/0,23

Малый газ

75+25

-

Полётный  малый газ

40

не более

-

Значения величин мощностей и удельных расходов топлива даны без учёта отбора воздуха на ПОС двигателя и вертолета, и систему кондиционирования с включенным и выключенным ПЗУ. Частота вращения ротора ТК равная 100% соответствует 42200 об/мин. Частота вращения ротора СТ равная 100% соответствует 24500 об/мин.

5. Максимальная продолжительность полёта, ч  5

6. Высота полёта, м      до 7000

7. Диапазон скоростей полёта:

  1.  вбок и назад, км/ч     до 150
  2.  вперёд, км/ч      до 400

8. Работоспособность двигателя

обеспечивается при температуре

наружного воздуха у земли, °С    от минус 60 до плюс 50

9. Запуск двигателя обеспечивается:

- на земле, при базировании вертолета

на площадках до высоты, м     4500

- при температуре наружного воздуха,°С   от минус 60 до плюс 50

- при скорости ветра сбоку, м/с    до 20

- при скорости ветра сзади, м/с    до 15

- в полёте от вспомогательной силовой

установки (ВСУ) на высотах, м    до 4500

10. Применяемые на двигателе сорта топлива:

- основное       ТС-1 поГОСТ 10227-86

- дублирующее      РТ по ГОСТ 10227-86

- резервное       Т-2 по ГОСТ 10227-86

11. Применяемые масла:

- основное       ЛЗ-240

по ТУ 301-04-010-92

- дублирующее      Б-ЗВ

Условия эксплуатации

Рассматриваемый двигатель, как уже указывалось,  имеет модульную конструкцию. Что значительно снижает затраты при эксплуатации двигателя по прогрессивной стратегии технической эксплуатации по состоянию, т.е. без капитальных ремонтов.  

«Базовый модуль» включает компрессор, турбину, камеру сгорания, промежуточный корпус и замене в эксплуатации не подлежит.

Модули «выходное устройство» и «пылезащитное устройство» могут заменяться при текущем ремонте.

Модули «свободная турбина», «маслобак», «редуктор с коробкой приводов» могут заменяться при среднем ремонте.

Двигатели могут эксплуатироваться в различных климатических и географических условиях. Совокупность климатических и географических условий, а также других внешних факторов вносят некоторые особенности в техническую эксплуатацию двигателей.

Особенности эксплуатации двигателя при низких температурах наружного воздуха

При температуре наружного воздуха плюс 5 °С и ниже перед запуском необходимо убедится:

- в отсутствии льда, инея, снега во входной части двигателя;

- в отсутствии примерзания лопаток роторов турбокомпрессора и свободной турбины.

При температурах наружного воздуха и масла на входе в двигатель минус 40°С необходимо прогреть горячим воздухом маслобак и двигатель. Заправку маслобака при температуре наружного воздуха ниже минус 40°С производится маслом, подогретым до температуры (30...40)°С.

При эксплуатации двигателей, заправленных маслом Б-ЗВ, в условиях отрицательных температур наружного воздуха в начале каждого летного дня выполняется визуальная проверка качества масла в маслосистеме на пригодность его к дальнейшему использованию. Если цвет масла мутно-серый с наличием мазеобразных светло-серых частиц, необходимо выполнить замену масла в маслосистеме.

Особенности технического обслуживания вертолёта на пыльных и песчаных площадках и аэродромах

При эксплуатации в условиях повышенной запыленности запуск и опробование двигателя выполняется на площадках с твердым покрытием и в местах, уменьшающих попадание в воздухозаборник пыли и песка от воздушного потока других вертолетов. Время работы двигателя на земле и на режиме висения вблизи земли сводится до минимума. Руление, взлет и посадку вертолета производится против ветра.

Особенности испытаний турбовинтовых двигателей

Особенности испытаний ТВД сводятся к определению мощности двигателя, снятию характеристик в процессе контрольных испытаний, приработке деталей редуктора и т. п. [26]

Основными параметрами, характеризующими турбовинтовой двигатель, являются винтовая и эквивалентная мощности. Измерение мощности двигателя является наиболее важным моментом в испытании ТВД, так как оно оказывает существенное влияние на весь технологический процесс испытаний, а также на конструкцию станка и другого испытательного оборудования.

Для определения мощности ТВД применяют следующие методы: по тормозному моменту (с гидротормозом, с пендель-динамо и т. п.), по реакции в редукторе (с помощью измерителя крутящего момента), по реактивному моменту на корпусе двигателя (на -балансирном станке).

При испытаниях ТВД важно определить также эквивалентную мощность, являющуюся суммой винтовой мощности и мощности сопла.

Эквивалентную мощность определяют либо на специальных станках, либо по измеренной винтовой мощности и расчетной мощности сопла. Последнюю определяют по параметрам газа на срезе сопла.

Помимо измерения мощности, существуют и другие отличительные особенности в технологии испытаний ТВД.

ТВД имеет весьма нагруженный узел — редуктор. При подготовке к запуску ТВД необходимо предварительно прогреть масло, особенно тщательно измерять температуры и давления масла на входе и на выходе, систематически проверять масляный фильтр, чтобы убедиться в том, что в нем нет металлической стружки, или установить специальные датчики для обнаружения стружки в масле. [12]

В ходе доводки ТВД проводится ряд испытаний на подтверждение надёжности узлов и агрегатов, продления всех видов ресурса и т.д., среди которых не последнее место занимают испытания на птицестойкость.

В связи с вероятностью попадания посторонних предметов (птиц, куски резины от авиашин и др.), оказывающих ударное, разрушающее воздействие на двигатели, ТВД как и все современные авиадвигатели проходят испытания на заброс во входное устройство предметов, попадающих в двигатели при эксплуатации. [15]

1.2 Анализ надежности вертолётного двигателя Сатурн РД-600В

Надежность - важнейшее свойство изделий, определяющее их способность нормально функционировать в заданных условиях эксплуатации. Задачи анализа надежности в настоящее время решаются, как на этапе создания новой техники, так и в процессе ее эксплуатации. Они наиболее актуальны для сложных и ответственных технических устройств, к которым относятся АТ и двигатели.

Комплексное понятие "надежность" характеризует ряд специфических свойств объекта: безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость. Наиболее важным из них является безотказность, т. е. способность объекта непрерывно выполнять заданные функции в течение установленного периода времени (наработки), сохраняя значения выходных параметров в пределах, установленных нормативно - технической документацией.[2]

Анализ надежности служит основой для обоснования мероприятий по совершенствованию технологических процессов ТО, Р, испытаний  и конструкции объектов.

1.2.1 Качественный анализ надёжности

Анализ провожу по данным собранным мной в ходе прохождения преддипломной практики на ОАО «НПО»Сатурн» г. Рыбинск.

Статистические данные об отказах, их причинах и наработке приведены в Таблице 1.

Необходимо отметить, что спецификой данных по отказам и неисправностям двигателя РД-600В является малая их повторяемость, а так же то, что практически все неисправности проявились в ходе стендовых испытаний. Последнее объясняется тем, что двигатель совсем недавно получил сертификат типа и отсутствием сертифицированного летательного аппарата, на который может устанавливаться данный двигатель.  

На основе статистических данных об отказах и неисправностях проводится качественный анализ надежности вертолётного двигателя Сатурн РД-600В. Производим классификацию отказов по причинам возникновения (рисунок 4), по принадлежностям к системам и агрегатам (рисунок 5) и по повторяемости (рисунок 6) 


Таблица 2 -  Статистические данные об отказах вертолётного двигателя Сатурн РД-600В

№ п/п

Наименование  (шифр) узла, агрегата, детали

Общая характеристика отказа

Повто-

ряемость

Обстоятельства обнаружения

Причина

Класси-фикация

1

2

3

4

5

6

7

1.

Муфта свободного хода

Заклинивание муфты свободного хода

1ч 26мин

Стендовые испытания.

Причиной заклинивания МСХ при испытании изд. явилось опрокидывание ролика № 870600563 и заклинивание его между обоймами вследствие накапливающейся деформации обойм при передаче Мкр в условиях отсутствия режима обгона.

Констр.

2.

Редуктор

Разрушение шестерени 870600053/790 в силовой ветви редуктора.

56ч 43мин

Стендовые испытания.

Разрушение шестерни 870600053/790 произошло по причине образования и развития по ней усталостных трещин в результате продолжительной работы на резонансных режимах, которым соответствуют обороты свободной турбины nст= 15000 ... 16000 об/мин (работа ~ 16 мин) и nст=20000±500 об/мин (работа ~1 час 13 мин) на режимах выше малого газа по турбокомпрессору.

Констр.

3.

Редуктор

Разрушение промежуточной шестерни 870600790/7480:11 силовой ветви

12ч 52мин

142ч 14мин

26ч 6 мин

47ч 7 мин

74ч 52мин

44ч 56мин

1ч 55 мин

175ч 37мин

76ч. 00мин

22ч 15мин

14ч 54мин

31ч 32мин

35ч 16 мин

19ч 8 мин

Стендовые испытания.

Разрушение шестерни 870600790/7480: 11 редуктора произошло в результате образования и развития усталостной трещины, возникшей во впадине зубчатого венца шестерни 870607059: 11 от острой кромки, вследствие интенсивных высокочастотных резонансных колебаний шестерни на рабочих частотах вращения свободной турбины.

Разрушение зубьев шестерни 870600357 и повреждения других деталей редуктора явилось следствием разрушения шестерни 870607480:11.

Констр.

4.

Редуктор

Разрушение ведущей шестерни 87060009

153 ч 28 мин

Испытания на натурном стенде ОАО «Камов»

Проведенный расчетный анализ показал:

1. Расчетные  запасы и уровни напряжений достаточны для обеспечения работоспособности з/к 870600009 на полный назначенный ресурс. При этом конструктивные особенности узла  таковы, что статические напряжения во впадине з/к 870600009 могут достичь значительной величины (до 74 кг/мм2)

Констр.

Продолжение таблицы 2

1

2

3

4

5

6

7

2.  Усталостное разрушение з/к 870600009 явилось следствием сложения нескольких неблагоприятных факторов:

- натяги  по  штифтам  и  резьбовым  заглушкам,  создающие  высокие  (до74   кг/мм2) статические напряжения на переходной кривой в основании зуба;

- наличие уступа в месте сопряжения переходной кривой и впадины, что послужило причиной дополнительной концентрации напряжений;

- перекос передачи;

- «высокая» динамика передачи

5.

Привод агрегатов

Разрушение втулки 870600135

25ч 14мин

Стендовые испытания.

Первоначально произошло разрушение втулки 870600135 из-за образования и развития усталостных трещин. Появление трещин на втулке могло произойти из-за совпадения собственных частот втулки и возмущающих частот ротора.

Констр.

6.

Привод агрегатов

Разрушение шарикоподшипника 75-108Р центральной шестерни привода агрегатов.

5ч 31мин

10ч 17мин

Стендовые испытания.

Наиболее вероятной причиной разрушения подшипника 75-108Р в узле привода агрегатов явилось воздействие на подшипник недопустимых ударных нагрузок, возникших в результате касания о датчики ДЧВ-2 индуктора  870600555, что явилось следствием повышенных биений упругой дисковой муфты, увеличенного дисбаланса блока муфта-шестерня и индуктор и возможного ослабления затяжки гаек крепления датчиков.

Способствующим развитию дефекта фактором явилось попадание в подшипник продуктов износа от касания зубьев индуктора о датчики.

Констр.

7.

Привод агрегатов

Разрушения шарикоподшипника 75-126108БТ центральной шестерни привода агрегатов редуктора

23ч 12мин

Стендовые испытания.

Причиной разрушения сепаратора радиально-упорного шарикоподшипника 75-126108БТ в узле привода агрегатов редуктора является работа подшипника с перекосом колец при воздействии значительных по величине динамических нагрузок со стороны турбокомпрессора. Перекос колец шарикоподшипника обусловлен особенностями конструкции узла привода агрегатов и соединения с ротором ТК и возник вследствие податливости опоры в корпусе подшипника и несоосности осей вращения ротора турбокомпрессора и привода агрегатов. Применение радиально-упорного шарикоподшипника 75-126108Р (...БТ) недопустимо.

Констр.

Продолжение таблицы 2

1

2

3

4

5

6

7

8.

Компрессор

Разрушение двух упругих элементов корпуса подшипника

6ч 24мин

Стендовые испытания.

Наличие подрезов стерженьков у оснований упругих элементов корпуса подшипника.

Разрушение упругих элементов корпуса подшипника  усталостное, вызвано наличием подрезов стерженьков у их оснований. Некачественная обработка поверхностей упругих элементов способствовала их разрушению. Деформация (непараллельность оси детали) упругих элементов произошла в процессе изготовления. Подрезка упругих элементов, некачественная обработка поверхностей связаны с отсутствием требований к размерам стерженьков и недостаточными требованиями к качеству их поверхностей в чертеже.

Произв.

9.

Компрессор

Разрушение проставки II ступени ротора компрессора

1ч 14мин

Стендовые испытания.

1. Разрушение проставки II  ступени ротора компрессора вызвано интенсивным местным трением о концы направляющих лопаток.

2. Причины, вызвавшие задевание проставки ротора за направляющие лопатки, не установлены.

Констр.

10.

Турбина высокого давления

Разрушение междискового лабиринтного уплотнения

11ч 23мин

Стендовые испытания.

Помпаж изделия с последующим экстренным остановом.

Разрушение наиболее вероятно произошло по причине неработоспособности уплотнительного материала АЛК-2 при температурах свыше 650С с дальнейшим нарастающим прорывом горячих газов через лабиринтное уплотнение, вызвавшим разогрев материала лабиринта  и его разрушение.

Констр.

11.

Турбина высокого давления

Разрушение междискового лабиринтного уплотнения турбины

9ч 17мин

Стендовые испытания.

1.  Причиной разрушения лабиринта  при испытании изделия явилось несоответствие температурного состояния лабиринта, принятого в расчетах, фактическому ,и как следствие, недостаточная несущая способность лабиринта в реальных условиях.

2.  Способствовали дополнительному разогреву лабиринта следующие факторы:

- повышенный, вследствие увеличения зазоров по лабиринтам,  расход газа через полость между дисками I и II ступени;

- возможное повышение температуры газов перед турбиной выше Тг= 1550 К;

- дополнительный разогрев среды в области лабиринта  вследствие размещения балансировочных грузиков на лабиринте.

3. Разрушение лабиринта  произошло впервые, связано с особенностями сборки  изделия.

Констр.

Продолжение таблицы 2

1

2

3

4

5

6

7

12

Турбина высокого давления 

Разгерметизация стыков труб подвода масла и суфлирования

6ч 18мин

Стендовые испытания.

Пожар во внутренней полости задней опоры.

К вероятным причинам раскрытия стыков труб можно отнести недостаточную площадь контакта уплотняющих поверхностей прокладок и их повышенную жёсткость в сочетании с разнесёнными осями болтов крепления. К способствующим факторам – возможное ослабление затяжки болтов крепления труб к корпусу, т.к. болты изготавливаются из материала ЭП33 с коэффициентом линейного расширения, превышающим аналогичный показатель материала корпуса.

Констр.

13

Турбина высокого давления 

Разрушение кольца лабиринтного уплотнения со стороны диска турбины II ступени.

5ч 16мин

Стендовые испытания.

Разрушение кольца  наиболее вероятно произошло в результате ослабления его посадки по наружной поверхности с последующим смещением кольца по продольной оси назад  до соприкосновения с торцом вращающегося лабиринта. Далее пошел процесс трения и усталостного разрушения кольца. К факторам способствующим потере посадки следует отнести разницу температур по стыку СА II ступени и кольца, возникающую при быстрых выходах. Незначительная величина буртика-пояска (0,0525 мм), по чертежу  0,1575 мм, не позволила  осуществить фиксацию кольца от перемещения вдоль продольной оси при ослаблении посадки.

Констр.

14

Турбина высокого давления 

Сверхнормативный дисбаланс ротора

1ч 3мин

Стендовые испытания.

При первых же выходах уровень виброскорости превышал норму (40 мм/сек) и постепенно увеличивался от выхода к выходу. Из-за срочности в получении результатов испытания, с учётом опыта работы по другим экземплярам  изделия с повышенным уровнем вибрации, предельный уровень виброскорости был установлен  55 мм/сек. За время испытания произошёл обрыв трёх

Появление повышенных роторных вибраций в плоскостях  опор изделия вызвано наличием сверхнормативного дисбаланса ротора, возникшего из-за сдвига пакета деталей ротора турбины по углу (диски и лабиринты) относительно маркировки «0», по которой выполнялась сборка на балансировку, на величину- 120 град, что связано со смешением на эту величину маркировки "I" на горце лабиринта.

Способствующим фактором по увеличению дисбаланса послужило защемление между торцами диска покрывного и диска турбины I ступени проволочного уплотнительного кольца диаметром 0,81 мм, что привело к перекосу оси диска на валу и не позволило закрыться стыку полностью. Рост

Произв.

Продолжение таблицы 2

1

2

3

4

5

6

7

трубопроводов подвода топлива от коллектора к форсункам (два случая подряд). При попытке  выполнить четвёртый выход произошёл самоостанов  изделия на малом газе и загорелась сигнальная лампа «стружка в масле».

вибраций на последних выходах связан с началом разрушения р/подшипника - местный износ по беговой дорожке внутренней обоймы к концу испытания достиг величины 0,4 мм.

15 

 Свободная турбина

Разрушение диска III ступени турбины

2ч. 28мин

Стендовые испытания.

1. Причиной разрушения диска третьей ступени турбины  изделия явилось образование и развитие термостатических трещин на передней поверхности диска от трения о детали статора и собственный лабиринт после его отделения от диска, приведшего к местному разогреву до температуры не менее 1000С.

2. Соприкосновение роторных и статорных деталей турбины при работе изделия  произошло из-за выборки осевого зазора вследствие температурных расширений деталей при уменьшенном установочном размере по СТ, допущенном в результате грубой ошибки при сборке изделия.

Произв.

16

Свободная турбина

Разрушение рабочих лопаток IV ступени.

36ч 17мин

Стендовые испытания.

В работе при снятии характеристик после выхода на режим ппр=38800 об/мин произошло самопроизвольное изменение режима – плавное снижение частоты вращения

ротора ТК с одновременным уменьшением углов регулирования НА, сопровождавшееся незначительным искрением за выходным устройством. Режим работы был понижен до МГ и на нем выполнена оценка

1. Однозначно причины разрушения лопаток, при экспериментальном испытании изделия  не обнаружены.

2. Вероятной причиной может быть одна из следующих:

    - усталостное разрушение пера вблизи бандажной полки одной из лопаток вследствие работы на резонансном режиме;

    - воздействие высоких температур и как следствие, потеря несущей способности лопаток.

Констр.

Продолжение таблицы 2

1

2

3

4

5

6

7

параметров. При последующем увеличении режима работы на nизм=35000 об/мин произошел хлопок, выброс пламени и искр из ВУ. Загорелись сигнальные лампы: Повыш. вибрации ПП, Опасные вибр. ПП, Повышенные вибр. ЗП, Помпаж, Стружка в масле, Предельные Тг повышены, - после чего изделие остановлено стоп-краном.

17

Свободная турбина  

Разрушение рабочей лопатки IV ступени турбины.

103ч 43мин

Стендовые испытания.

Изделие проходило стендовое ресурсное испытание. На 50-й минуте 1-го цикла 14-го этапа при выполнении перехода с режима nтк=37300 об/мин на nтк=38500 об/мин произошло

изменение звука работы двигателя и возросли вибрации по задней подвеске. После останова при осмотре обнаружен обрыв наружной бандажной полки с частью пера у рабочей лопатки  IV ступени турбины. Обрыв пера на расстоянии 9 мм от наружной полки произошел у лопатки из сплава ЖС26-ВИ. Остальные лопатки комплекта из сплава ЖС6У-ВИ.

1. Обрыв рабочей лопатки IV ступени турбины в пазу № 25 диска свободной турбины произошел вследствие образования трещины протяженностью 15 мм поперек выходной кромки лопатки. Развитие трещины происходило по механизму кристаллических сколов, характерному для усталостного разрушения литых сплавов типа ЖС.

2. Разрушившаяся  лопатка изготовлена из сплава ЖС26-ВИ равноосной структуры, который характеризуется пониженными механическими характеристиками, в том числе усталостной прочностью, по отношению к сплаву ЖС6У-ВИ, из которого изготовлены другие лопатки комплекта.

3. Пониженные механические характеристики материала лопатки в совокупности с длительной работой данной лопатки при нерасчетных режимах свободной турбины (28мин при nст=24500... 28000 об/мин. 114 мин при nст=24500... 1500 об/мин)  могли привести к образованию усталостной трещины.

Произв.

18

Свободная турбина 

Усталостное выкрашивание периферийной части пера трёх рабочих лопаток четвёртой ступени

85ч. 37мин

Стендовые испытания.

При осмотре обнаружены отрыв части бандажной полки со 

стороны выходной кромки у одной 

рабочей лопатки четвертой ступени турбины и трещина ~ 10 мм в

Причиной усталостного разрушения рабочих 

лопаток 870400234 четвёртой ступени турбины 

являются повышенные вибрационные напряжения в 

подполочном сечении, вызываемые резонансом на 

номинальной частоте вращения ротора свободной 

турбины. Возможным источником возбуждения

Констр.

Окончание таблицы 2

1

2

3

4

5

6

7

подполочном сечении с выходом на выход кромку у 

лопатки диаметрально 

расположенной разрушенной.

лопаток явились вибрации, передающиеся через вал 

со стороны силовой шестерни редуктора, имеющей 

22 зуба.

19.

Свободная турбина 

Разрушение IV ступени свободной турбины.

67ч 6мин

Стендовые испытания.

При выполнении цикла № 9 этапа № 12 на режиме nтк зам = 40100 об/мин произошел срыв в работе двигателя (был слышен хлопок) после чего загорелись с/л: "Помпаж стендовый", "Повыш. вибрации ЗП", " Предельные Тг за турбиной повышена", "Провал nст до 14000 об/мин", "Стружка в масле" -после чего изделие остановлено стоп-краном.

1. Разрушение IV ст. турбины произошло по причине обрыва рабочей лопатки IV ст. по усталостной трещине в прикорневом сечении, образовавшейся вследствие высокой интенсивности колебаний лопатки по первой изгибной форме из-за недостаточного местного и среднего натяга по бандажным полкам  и вследствие вероятного сдвига зоны срывных колебаний лопатки в область длительных режимов работы изделия (nтк < 32000 об/мин, nст = 20500 об/мин) из-за монтажа на изделие СА с увеличенной площадью проходного сечения.

2.  Некачественная пайка в СА IV ступени (значительная площадь непропая) привела к снижению механической прочности узла по паяным стыкам и, как следствие, при аварии - к увеличению объемов разрушения.  

Констр.

20.

Выходное устройство

Появление нагарообразования в заднем стоечном узле турбины

54ч 12мин

Длительные стендовые испытания.

Нагарообразование в заднем стоечном узле маслокартера произошло вследствие:

1. разгерметизации стыка трубы и цапфы, о чем свидетельствует существенное уменьшение момента свинчивания гайки при разборке и наличие кокса по уплотнительным стыкам трубы и задней цапфы;

2. Попадание масла, проникавшего из маслокартера через задние маслоуплотнения в полость охлаждения картера в процессе выбега и после остановок изделия, что, в соответствии с заключением вполне возможно.

Повышенный расход масла, отмеченный при испытании изделия, вызван его частичным уходом за пределы маслосистемы по причинам, указанным в п.п. 1 и 2.

Констр.


Рисунок 4 – Диаграмма отказов сгруппированных по происхождению.

Рисунок 5 – Диаграмма отказов сгруппированных по принадлежности к агрегатам.

Рисунок 6 – Диаграмма отказов сгруппированных по повторяемости

Из анализа диаграммы представленной на рисунке 4 видно, что большую часть неисправностей составляют неисправности, возникшие по конструктивным причинам. Следовательно, для повышения надёжности вертолётного двигаетля Сатурн РД-600В необходимо совершенствовать конструкцию.

Принимая во внимание диаграмму отказов сгруппированных по принадлежности к агрегатам (рисунок 5), необходимо отметить, что основным источником неисправностей вертолётного двигателя  Сатурн РД-600В является редуктор. Исходя из этого, при доводке нужно особое внимание уделять контролю  технического состояния редуктора.

Как показывает диаграмма  отказов сгруппированных по повторяемости (рисунок 6) наиболее часто разрушается промежуточная шестерня силовой ветви редуктора. Из этого следует, что необходимо принимать меры позволяющие повысить надёжность и долговечность данного изделия.

Как видно из статистики одна из самых  распространенных и опасных по своим последствиям неисправность — разрушение промежуточной шестерни силовой передачи редуктора. Достаточно часто данный отказ возникает вследствие интенсивных высокочастотных резонансных колебаний шестерни на рабочих частотах вращения свободной турбины. При возникновении данного вида отказа, двигатель теряет свою работоспособность, что в конечном итоге может привести к катастрофе.

1.2.2 Количественный анализ надёжности

Теоретические основы.

Количественный анализ надёжности заключается в определении фактической надёжности объекта в пределах назначенного ресурса, а также необходимость проведения мероприятий, направленных на повышение уровня надёжности.

Решение этой задачи сопряжено с рядом трудностей, в числе которых главные — ограниченность сроков испытания изделия и сложность получения достаточного объема экспериментальных данных, необходимого для подтверждения заданных требований по надежности. Причем эти трудности резко увеличиваются с повышением уровня надежности изделий.

Анализ надёжности  проводим методом последовательного анализа. [8]

Этот метод обеспечивает достаточно высокую точность при сравнительно небольших объемах испытаний.

Сущность метода последовательного анализа состоит в том, что проверка гипотез осуществляется последовательно по мере накопления статистического материала. По мере проведения испытаний и накопления данных по отказам и наработке, при применении соответствующим образом выбранного критерия значимости, производится анализ возможности одного из следующих трех решений:

1 ) принять гипотезу соответствия полученных показателей надежности;

2) отклонить гипотезу соответствия и считать изделие не выдержавшим испытания;

3) продолжить испытания, так как недостаточно данных для принятия первого или второго решения.

Для проверки гипотез по методу последовательного анализа необходимо иметь два параметра — наработку на отказ Т или число отказов m и вероятность неправильной оценки изделия  и . Наработка на отказ задается двумя величинами: Т1 — минимально допустимой наработкой на отказ и Т0 — расчетной или возможной наработкой на отказ (обычно Т01 — 1,5...3) ; аналогично может быть задано число отказов m0 и m1. Вероятность неправильной оценки задается величиной (риск поставщика)  и величиной   (риск заказчика).

При испытаниях на надежность по методу последовательного анализа с восстановлением работоспособности отказавших изделий, производится восстановление работоспособности путем замены отказавших изделий

Рисунок 7 – Оценка результатов испытаний по методу последовательного анализа.

(элементов) или путем выполнения восстановительных работ. В этом случае суммарная наработка изделий t за все время t испытаний определяется по формуле:

,   (1)

где n — число изделий, проходящих испытания; m — число отказов (или отказавших изделий); tj — длительность восстановления работоспособности отказавшего j-го изделия или длительность его замены.

При испытании по методу последовательного анализа производится регистрация числа возникших отказов m и времени испытаний t, соответствующего моменту их возникновения. Обычно испытания проходят несколько изделий n, и поэтому фиксируются суммарное количество обнаруженных отказов  m и суммарная наработка испытываемых изделий t= nt.

Для оценки и анализа соответствия экспериментальных данных заданным требованиям по надежности наибольшее распространение получил графоаналитический метод. Сущность этого метода заключается в следующем: по заданным в требованиях наработкам на отказ Т0 и Т1 и принятым допустимым вероятностным ошибочным оценкам  и  на основе зависимостей, выведенных Вальдом, вычисляются границы областей приемки и браковки изделий и наносятся на график (рисунок 7) в координатах , где m - суммарное количество выявленных отказов, t/Т0 - отношение суммарной наработки изделий к величине расчетной наработки и изделий на отказ. Затем на этот график наносятся полученные при испытаниях текущие значения  m для соответствующих величин t/Т0. При сопоставлении расчетных границ Lnp и Lбp областей приемки В и браковки А и экспериментальных значений  возможны три случая:

1)   значения m  достигают границы области приемки Lnp или вертикального участка от Lnp включая точку Д. Таким образом подтверждается гипотеза соответствия изделия заданным требованиям, т. е. изделие принимается;

2)   значения  m  достигают  границы  Lбp  или  вертикального участка  от  Lбp  до  точки  Д,   т.   е.   изделие  бракуется   как   не соответствующее заданным требованиям;

3)   зависимость остается между линиями приемки и браковки и не входит в соприкосновение с ними — наблюдается неопределенность о принятии решения, т.е. испытания необходимо продолжить.

Для получения данных, необходимых при построении графика (рисунок 7) последовательного анализа надёжности, применяются следующие формулы:

;  ; .

Использую указанные формулы, можно получить следующие уравнения для построения линии приёмки Lпр и линии браковки Lбр:

; .

Полученные уравнения показывают, что наклон линий приёмки и браковки зависит только от отношения Т01, а смещения этих линий от средней линии (или поле размещения ступенчатой линии отказов) – только от величины  и .

Расчёт.

В рассматриваемом случае имеются следующие исходные данные:

  1.  n=32 – количество двигателей, проходивших испытание;
  2.  Т1=100 ч - минимально допустимая наработка на отказ. Выбрана исходя из того, что подтверждённый на данный момент ресурс двигателя равен 100 ч;
  3.   Т01=2 – отношение расчётной наработки на отказ к минимально допустимой наработке на отказ. Принято рекомендуемое значение [8];
  4.  =0,1 – ошибка первого рода (риск поставщика). Принято рекомендуемое значение[8]; 
  5.  =0,1 – ошибка второго рода (риск заказчика). Принято рекомендуемое значение[8]; 

m

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

t, ч

1,92

12,86

14,9

19,13

22,25

26,1

31,53

35,02

44,93

47,12

74,86

76

142,23

175,62

  1.   m=14 – число отказов. Наработка на отказ по каждому случаю приведены в таблице3.
    Таблица 3 – Ряд наработок на отказ
  2.  tj=16.4 ч – длительность восстановления работоспособности одного двигателя. Назначена исходя из того что время замены модуля редуктора составляет 2 рабочих дня.

Результаты расчёта t , произведённые по формуле (1),  и отношения t/Т0 приведены в таблице 4.

Таблица 4 – Результаты расчёта t и t/Т0.

m, шт

tсум, ч

tсум/Т0

1

61,44

0,3072

2

395,12

1,9756

3

444

2,22

4

562,96

2,8148

5

646,4

3,232

6

753,2

3,766

7

910,56

4,5528

8

1005,84

5,0292

9

1306,56

6,5328

10

1360,24

6,8012

11

2231,52

11,1576

12

2251,6

11,258

13

4354,56

21,7728

14

5406,64

27,0332

 Для получения данных, необходимых при построении графика последовательного анализа надёжности, применяются следующие формулы:

  1.  ;
  2.  ;
  3.  , что соответствует углу =55

Тогда уравнения линий браковки и приёмки изделий имеют вид:

.


Рисунок 9 – График для оценки надёжности по методу последовательного анализа


График для анализа результатов испытаний приведён на рисунке 9.

Как видно из графика приведённого на рисунке 9, значения m достигли границы области приёмки Lпр. Таким образом, подтверждается гипотеза соответствия изделия заданным требованиям, т.е. при заданном ресурсе 100 часов обеспечивается необходимый уровень надёжности промежуточной шестерни силовой ветви редуктора.

1.2.3 Исследование причины разрушения ведущей шестерни привода агрегатов

Предварительное ознакомление с объектом исследования

На натурном стенде ОАО «Камов» проходили испытания изделия. Двигатель возвращён из эксплуатации по причине внезапного снижения давления масла. При разборке выявлено разрушение ведущей шестерни 870600009/870600050СБ  в редукторе с приводами 870600020 №6. Наработка шестерни 870600009 до разрушения в составе редуктора составляет 105 ч 39 мин, в том числе за последний период эксплуатации изделия 25ч 28 мин. Суммарная наработка 153 ч 28 мин.

На основании данных, полученных при предварительном ознакомлении с дефектной шестернею, можно сделать предположение, что причинами её разрушения могут быть:

  1.  некачественное изготовление шестерни (дефекты материала, несоответствие геометрических размеров и технологии обработки ТУ);
  2.  недостаточная конструктивная прочность шестерни;
  3.  продолжительная работа шестерни на резонансных частотах.

Анализ внешнего состояния шестерни

Разрушение произошло по сечению: впадина между зубьями - отверстия под штифты и заглушки, согласно исследованию металлурга (рисунок 10). Излом усталостного характера (первоначальный), почти без зоны долома. Очаг образования усталостной трещины во впадине у основания зуба и развитие ее к резьбовому отверстию под заглушку. Остальные трещины имеют характер малоцикловой усталости и являются вторичными. Сопряжение переходной кривой с впадиной зуба происходит с уступом , из которого как раз и начала развиваться трещина (рисунок 11). Имеются следы наклёпа и значительных взаимных перемещений на рабочей и не рабочей сторонах зуба сопрягаемых зубчатых колёс. Это может являться следствием интенсивных колебаний.

Рисунок 10 – Внешний вид шестерни после разрушения

Рисунок 11 – Внешний вид элементов шестерни 870600009 после разрушения

В результате предварительных поверочных расчётов проводившихся в ОКБ Сатурн для данной шестерни на изгибную и контактную прочность были получены положительные результаты. Расчёт запасов длительной и контактной прочности зубьев шестерни производился на ресурс 10000 часов из расчёта мощности в зацеплении 6, 75 л.с.. При этом минимальный расчетный запас по напряжениям изгиба n =5,15 ([n] = 1.6), по контактным напряжениям nqo = 1,7 ([nqo] = 1). Следовательно, условия на контактную и изгибную прочность удовлетворяют требованиям. Так же была найдена амплитуда растягивающих напряжений а=100МПа.

Для проверки соответствия размеров разрушившейся шестерни чертежу производились геометрические измерения его и определялись механические свойства материала.

Отклонения размеров от чертежа не превышают заданных допусков. Чистота поверхности соответствует чертежу. Механические свойства материала определялись путём проведения стандартных испытаний образцов, вырезанных из участков шестерни, прилегающих к зоне излома. Проведённые испытания показали, что образцы имеют в соответствующую чертежу.

На основании проведённого анализа можно сделать вывод о том, что гипотеза о некачественном изготовлении шестерни не подтвердилась.

Проведенный анализ позволяет сделать заключения о том, что предположительной причиной усталостного разрушения зубчатого колеса является действие переменного растягивающего напряжения в ободе шестерни на фоне негативного воздействия (появляются дополнительные статические напряжения) от постановки штифтов и резьбовых заглушек. Кроме того, наличие потёртостей является свидетельством значительных амплитуд взаимных перемещений сопрягаемых зубчатых колёс, что позволяет сделать предположение о резонансном характере колебаний.

Расчёт

Далее будут представлены результаты прочностного анализа шестерни.

Шестерня 870600009 изготовлена из материала 20ХЗМВФ-Ш (ЭИ415-Ш). ХТО - нитроцементация, HRCэ57.

Предел прочности материала шестерни b= 110 кг/мм2.

Модуль упругости материала Е = 21000 кг/мм2.

С целью оценки возможного влияния натяга от постановки штифтов и резьбовых заглушек на напряженно-деформированное состояние шестерни 870600009, тем более, что согласно заключения металлурга такое влияние имело место, и выяснения причин разрушения шестерни был произведен расчет зубчатого колеса в программе инженерного анализf Ansys на плоской модели (элементы SOLID45, TARGE169, CONTA172). Данная программа производит расчёт методом конечных элементов.

Метод конечных элементов (или, сокращенно, МКЭ) в настоящее • время находит все более широкое применение при решении задач механики сплошных сред. Объясняется это широкой универсальностью МКЭ и возможностью идеализации самых сложных конструкций конечными элементами простой конфигурации. Метод очень удобен при использовании ЭВМ, так как все его алгоритмы легко записываются в так называемом матричном виде.

МКЭ основан на идеализации сплошного тела (континуума) совокупностью конечных элементов, взаимодействующих между собой в конечном числе узловых точек.

Кроме того, процедура МКЭ предполагает минимизацию некоторого функционала, в качестве, которого наиболее часто используется выражение для полной потенциальной энергии системы.

Алгоритм расчёта в программе ANSYS:

  1.  построение модели (задание типов элементов, констант элементов свойств материалов, геометрической модели)
  2.  задание нагрузок и получение решения (выбор типа анализа и его опций, приложение нагрузок, указание опций для шага нагружения, запуск на счет)
  3.  просмотр результатов

В расчет заложено следующее:

  1.  радиус переходной поверхности с рабочей стороны зуба R=0,4 мм;
  2.  радиус переходной поверхности с нерабочей стороны зуба R=0,6 мм;
  3.  натяг при посадке шестерне 870600009 на вал минимальный =0,002 мм;
  4.  натяг при постановке штифтов и заглушек максимальный =0,01 мм;
  5.  ось одной заглушки смещена от оси зуба на 1,5°, что примерно соответствует реальному колесу (см. рисунок 2);
  6.  усилие в зацеплении максимально возможное Рокр =14,9 кг (передача мощности N=6,75 л.с.).

Расчетная конечно-элементная модель зубчатого колеса 870600009 представлена на рисунке 12.

Рисунок 12 - Конечно-элементная модель шестерни 870600009 в сборе.

Расчет производился в 2 этапа:

  1.  решение контактной задачи - оценка влияния всех напрессовок;
  2.  решение задачи с учетом действия нагрузок от сил в зацеплении.

Результаты расчетов представлены на рисунках  13 – 17.

По результатам расчетов получено следующее:

1. при  заложенных в расчет посадках натяг шестерня вал полностью теряется (см. рисунок 13). Шестерня фактически "висит" на штифтах и резьбовых заглушках.

Рисунок 13 - Результаты расчета зазоров  (мм) в посадке шестерни после напрессовки с минимальным натягом и последующей заштифтовкой с максимальным натягом.

2. Статические напряжения растяжения возникающие в переходной поверхности зуба только от усилия напрессовки составляют до 74 кг/мм2. При этом смещение оси резьбовой заглушки или штифта относительно оси зуба на величину напряжений влияют мало (см. рисунок 14, 15).

Рисунок 14 - Результаты расчета статических напряжений растяжения m (кг/мм2) во впадине зуба шестерни 870600009 после напрессовки с минимальным натягом и последующей заштифтовкой с максимальным натягом (резьбовая заглушка смещена относительно оси зуба на 1.5°).

Рисунок 15 - Результаты расчета статических напряжений растяжения m(кг/мм2) во впадине зуба шестерни 870600009 после напрессовки с минимальным натягом и последующей заштифтовкой с максимальным натягом (резьбовая заглушка без смещения).

3. Действие максимально-возможной окружной силы Рокр=14,9 кг увеличивает статические напряжения растяжения на переходной кривой до 84 кг/мм2 (см. рисунок 16).

Рисунок 16 - Результаты расчета статических напряжений растяжения m (кг/мм2) во впадине зуба шестерни 870600009 после напрессовки с минимальным натягом и последующей заштифтовкой с максимальным натягом, с учетом действия максимального усилия в зацеплении.

Для наглядности строю эпюры нормальных напряжений в критическом сечении при различных вариантах нагружения зубчатого венца (см. сечения А-А, Б-Б, В-В на рисунках 14, 15, 16).

Рисунок 17 – Эпюры распределения нормальных статических напряжений в критическом сечении зуба при различных вариантах нагружения.

Далее провожу оценку прочностной надёжности шестерни по запасу прочности. [10]

При действии переменных напряжений на прочность оказывают влияние концентрация напряжений, масштабный эффект и другие факторы, влияние которых учитывают, записывая соотношения максимального нормального напряжения в точке детали в виде [21]:

;

где a – амплитуда напряжения цикла, МПа;

 m i – среднее напряжение цикла на i-ом режиме работы двигателя, МПа;

 - коэффициент характеризующий влияние асимметрии цикла.

Коэффициент, учитывающий влияние ассиметрии цикла нагружения для углеродистых и легированных сталей имеет значения  = 0,2 [10].

Далее необходимо отметить ,что статическое нормальное напряжение в критическом сечении шестерни зависит от передаваемой мощности. Принимая эту зависимость прямопропорциональной, получаю следующие значения растягивающих напряжений: на режиме малого газа mМГ=52,5 МПа; полётного малого газа – mПМГ = 277,2 МПА; крейсерском режиме - mКр=700 МПА; на взлётном - mВзл=840 МПа.

Результаты расчёта растягивающих напряжений в зависимости от режима приведены  в таблице 5.

Таблица 5 – Результаты расчёта максимальных нормальных напряжений в зависимости от режима работы двигателя.

Режим

Малый газ

Полётный малый газ

Крейсерский

Взлётный

Максимальное напряжение дествующее на i-ом режиме

max I, МПа

110,5

155,44

240

268

При нестационарных нагрузках для оценки работоспособности деталей используют представления об эквивалентных режимах и запасах прочночти.  Формула для определения эквивалентных напряжений имеет вид [10]:

;

где m – параметр кривой усталости;

 k – количество режимов работы двигателя;

а – суммарная относительная долговечность;

 N0 – абсцисса точки перелома кривой усталости;

 max i – усилие действующее в критическом сечении шестерни на i-ом режиме работы двигателя;

 Ni – количество циклов нагружения на i-м режиме работы двигателя.

Для нахождения параметра кривой усталости пользуюсь методикой изложенной в [9].

Уравнение левой ветви кривой усталости можно представить в виде [10]:

;

где -1Д – предел выносливости шестерни при изгибе.

 

Значение предела выносливости для рассматриваемой детали нахожу по формуле приведённой в [10]:

;

где -1 =550 МПа – предел выносливости материала шестерни при изгибе [25];

КД – приведённый эффективный коэффициент концентрации напряжений при действии нормальных напряжений;

 

;

где К - эффективный коэффициент концентрации напряжений при действии нормальных напряжений;

Кd – коэффициент, учитывающий влияние абсолютных размеров детали;

 - коэффициент, учитывающий состояние поверхности (технологию изготовления).

;

где q – коэффициент чувствительности материала к концентрации напряжений;

 - теоретический коэффициент концентрации напряжений.

Для высоколегированных сталей q=0.9 [10]. Для случая смещения резьбовой заглушки от оси зуба на 1,50 принимаем  = 1,8 [25]. Принимая выше приведённые значения нахожу:

.

Исходя из технологии изготовления рассматриваемого зубчатого венца и рекомендаций [10] принимаю =0,9. Учитывая размеры детали и рекомендованные значения [10] выбираю Кd =1. Тогда:

.

Подставляя полученные значения нахожу:

Подставив в уравнение ветви кривой усталости В=1100 МПа, N=1, N0=1,03106 циклов (для материала 20Х3МВФ-Ш из [10]), -1Д=300 МПа, получим

.

Логарифмируя, нахожу m=11.

Принимаем a=1, как рекомендовано в [10].

Для определения количества циклов нагружения использую типовой профиль полёта, значение суммарной наработки шестерни tсум=9208 мин, чистоту вращения шестерни на режиме малого газа f=281,33 Гц. Из типового профиля полёта видно (рисунок 18), что время одного полётного цикла составляет tпц = 2406 с. Отсюда находим количество полётных циклов NПЦ= 9208*60/2406226. количество циклов на каждом режиме нахожу по формуле Ni=fizti, где  fi – частота вращения шестерни на i-ом режиме; z – число зубьев шестерни; ti – время работы двигателя на i-ом режиме за один полётный цикл. Тогда суммарное количество циклов на i-ом режиме с учётом количества полётных циклов будет: Ni ПЦ=NiNПЦ.. Результаты расчётов приведены в таблице 6.

Рисунок 18 – Типовой профиль полёта для вертолёта Ка-62

Таблица 6 – Результаты расчёта количества циклов нагружения.

Малый газ

Полётный малый газ

Крейсерский

Взлётный

Сумма

fi, Гц

281,33

325,3

415

433

ti, с

635

200

1000

571

2406

Ni

3215601,9

1171080

7470000

4450374

16307055,9

Ni ПЦ

726726029

264664080

1688220000

1005784524

3685394633

Используя выше приведенные значения параметров, нахожу эквивалентное напряжение:

Эквивалентный запас прочности нахожу по формуле приведенной в [10]:

.

Полученное значение меньше рекомендованного в [10] запаса прочности [nэкв]=1.5. Следовательно, при действии в критическом сечении шестерни экв=520МПа прочностная надёжность шестерни быть признана удовлетворительной, не может.

В главе 6 было выяснено, что  возможно при работе рассматриваемого зубчатого венца на режиме земного малого газа возможен резонанс по первой зубцовой гармоники. Там же было доказано, что в результате работы на указанных резонансных частотах амплитуда напряжение может увеличиться примерно в 4 раза. Следовательно, амплитуда нормального напряжения на режиме малого газа будет равна аМГ=4а=4100=400 МПа.

Рассчитываю максимальное напряжение цикла на режиме малого газа при аМГ=400 МПа:

Далее определю количество полётных циклов до разрушения исследуемой шестерни c учётом роботы зубчатого колеса на режиме малого газа в условиях резонанса..

Определение формы блока нагружения

В блоке нагружения необходимо учитывать эквивалентные напряжения, превышающие 0,5-1Д (150 МПа). Форму блока нагружения зададим в виде таблицы 7.

Таблица 7 – Блок нагружения ведущей шестерни привода агрегатов.

Параметр

Номер ступени i

1

2

3

4

max i

410,5

155,44

240

268

Ni

3215601,9

1171080

7470000

4450374

Вычисление величины суммы относительных долговечностей aр.

Значение суммы относительных долговечностей определим по формуле [9]:

;

где , здесь ti – относительное число циклов max i, равное i/б.

Результаты расчёта коэффициента  корректирования величины ар сводим в таблицу 8.

Таблица 8 – Расчёт коэффициента .

Параметры

Номер ступени

1

2

3

4

1

0,3787

0.5847

0,6528

ti

0,1972

0,0718

0,4581

0,2729

0,19719

0,02720

0,26784

0,17816

 Суммируя значения  , получим =0,67038.

Расчёт величины ар по выше приведённой формуле даёт ар=0,4815.

Расчёт среднего числа блоков нагружения до образования усталостной трещины

Среднее число блоков нагружения до разрушения  (образования трещины) определяется по формуле [9]:

,

Включая в неё только значения амплитуды эквi, превышающие предел выносливости шкворня. Подставляя выше найденные величины получаю:

Таким образом, вероятность разрушения зубчатого колеса в исследуемом сечении при 298 полётных циклах составляет 50%.

Полученный результат хорошо согласуется с величиной наработки 226 полётных циклов на отказ.

Выводы

 В результате проведённого исследования установлено, что причиной разрушения зубчатого венца ведущей шестерни привода агрегатов явилась  недостаточная усталостная прочность материала шестерни вследствие неучтённых конструктором при проектировании характера изменения и величин реальных нагрузок.

Для  предупреждения появления дефекта необходимо повысить предел выносливости зубчатого венца. Это можно сделать следующими способами:

  1.  чётко закоординировать положение резьбовых заглушек на чертеже и усилить контроль  качества изготовления шестерни. Это позволит снизить теоретический коэффициент концентрации напряжений ;
  2.  ввести полировку переходной поверхности зубьев шестерни. Это позволит повысить коэффициент учитывающий влияние состояния поверхности .

Введение указанных выше мероприятий позволяет повысить эквивалентный запас прочности до nэкв =1.

Дальнейшее увеличение запаса прочности можно добиться отстройкой собственной частоты колебания шестерни от частоты возбуждающей силы. Используемые аналитические методы дают только приближённые значения собственных частот, а так же не позволяет учесть все действующие в редукторе возбуждающие частоты. Поэтому для проведение частотной отстройки необходимо провести экспериментальное определение собственной частоты колебания исследуемого зубчатого венца, а так же выполнить вибрографирование редуктора и привода  агрегатов двигателя.

1.2.4 Мероприятия по повышению надёжности

Как показывает качественный анализ надёжности рассматриваемого двигателя, большинство отказов и неисправностей вызваны конструкторскими ошибками. Следовательно, для увеличения надёжности необходимо совершенствовать методы расчёта конструкций на этапе проектирования.

После исследования причины разрушения ведущей шестерни привода агрегатов, предлагается следующее: точно закоординировать на чертеже положение резьбовых заглушек, ввести полирование сопряжения переходной кривой с впадиной зуба, а так же после вибрографирования привода агрегатов и экспериментального определения собственных частот колебания рассматриваемого зубчатого венца провести частотную отстройку. Методы борьбы с резонансными вибрациями зубчатых колёс приведены в главе 6.

1.3 Анализ технологичности

К числу важнейших показателей, характеризующих качества АТ и двигатели, относится технологичность. Под технологичностью понимается совокупность заданных и конструктивно реализованных свойств, определяющих его приспособленность к выполнению работ по ТО, Р и при испытаниях с минимальными затратами труда, времени и средств.

Проблема обеспечения технологичности является составной частью общей проблемы надежности авиационной техники. Уровень технологичности объекта определяется совершенством его конструкции, а также рядом эксплуатационных факторов.

К числу конструктивных особенностей объекта относятся:

  1.  доступность;
  2.  легкосъемность;
  3.  удобство работ;
  4.  взаимозаменяемость;
  5.  контролепригодность и другие.

Заданные свойства технологичности объектов обеспечиваются в процессе создания и изготовления АТ. В условиях испытаний и эксплуатации эти свойства реализуются и совершенствуются с учетом реальных требований и возможностей типовых технологических процессов. Так, переход на эксплуатацию по техническому состоянию (метод ТЭС) требует пересмотра практически всех свойств технологичности конструкции.

Анализ технологичности может носить качественный и количественный характер.

В первом случае реальные свойства конструкции сопоставляются с рядом специфических требований, предъявляемых к конструкции, при выполнении типовых регламентных работ (смазочных, регулировочных, заправочных и т.д.)

При проведении количественного анализа используется ряд обобщенных (основных) и единичных (дополнительных) показателей. Обобщенные показатели характеризуют конструкцию со стороны затрат труда, материалов, запасных частей, времени и других показателей, определяющих эффективность использования АТ. Единичные показатели характеризуют отдельные специфические свойства конструкций. К ним относятся: показатель доступности ( Кд ), легкосъемности ( Кл ), удобства работ ( Куд ) и другие. Единичные показатели используются при решении задач совершенствования технологических процессов, а также при обосновании технических требований к разрабатываемому технологическому оборудованию.

Значения единичных показателей (безразмерных коэффициентов) лежат в пределах 0 < Kj < 1. Конструкция считается полностью отвечающей требованиям технологичности, если значения всех ее показателей равны единице. Для ряда объектов (изделий) значения единичных показателей нормированы с учетом лучших образцов отечественной и зарубежной AT. В этом случае количественный анализ технологичности проводится путем сопоставления реальных и нормативных значений соответствующих показателей.

1.3.1 Качественный анализ технологичности

Анализ проводится путем сопоставления требований к  технологичности вертолётного двигателя с реальными свойствами. Результаты анализа представлены в таблице 9.

Таблица 9 – результаты качественного анализа двигателя РД-600В

№ треб.

Содержание требований

Соответствие

Примечания

1

Двигатель должен быть приспособлен к выполнению всех видов ТО при испытаниях с обеспечением возможности простого и удобного монтажа и демонтажа его без слива топлива и нивелировки; взаимозаменяемости двигателей; осмотра проточной части; замены агрегатов, в том числе и самолетных, расположенных на двигателе.

Соответствует

Продолжение таблицы 9

№ треб.

Содержание требований

Соответствие

Примечания

2

Регулирование двигателя должно производиться без демонтажа каких-либо узлов и агрегатов двигателя.

Соответствует

3

Конструкция двигателя должна обеспечивать его разборку на автономные взаимозаменяемые узлы (модули), системы и агрегаты для выполнения работ по ТО и Р при испытаниях.

Соответствует

4

Двигатель должен быть контролепригодным для определения соответствия основных технических данных и диагностирования (прогнозирования) технического состояния.

Соответствует

См.

таблицу 10

5

Конструкция двигателя и его компоновка на стенде должны обеспечивать удобный доступ к регулировочным устройствам и датчикам измерения параметров двигателя; инструментальный контроль состояния узлов и деталей проточной части двигателя без снятия его со стенда; контроль содержания механических частиц в моторном масле.

Соответствует

6

Двигатель должен быть оборудован устройством, регистрирующим наработку с учётом фактических нагрузок.

Соответствует

Продолжение таблицы 9

№ треб.

Содержание требований

Соответствие

Примечания

7

Установка двигателя на стенде должна обеспечивать разъем трубопроводов, электропроводки, тросов и тяг управления двигателем на противопожарной перегородке или на специальных панелях; удобный доступ к агрегатам и узлам силовой установки, требующим каких-либо работ при ТО; доступность для осмотра разъемов и соединении всех систем; проведении работ по устранению негерметичности без снятия агрегатов, приборов, не относящихся к данному соединению; консервацию и расконсервацию двигателя и его систем без демонтажа агрегатов.

Соответствует

8

Коммуникации топливной, масляной и других систем двигателя должны обеспечивать монтажную независимость одной система от другой и не должны препятствовать доступу к узлам, системам агрегатам и их регулировочным элементам.

Соответствует

9

Соединения коммуникаций двигателя (шлангов, трубопроводов, электропроводки и пр.), выхлопной системы и узлов крепления двигателя к ЛА должны быть быстроразъемными, рассчитанными на многократный монтаж, по возможности должны быть самоконтрящимися.

Не соответствует

Большинство соединений самоконт-рящимися не являются

Окончание таблицы 9

10

Конструкция узлов крепления и приводов агрегатов должна обеспечивать легкосъемность и удобство выполнения работ по монтажу и демонтажу агрегатов на двигателе.

Соответствует

11

Для агрегатов и узлов весом до 30 кг, подлежащих снятию или замене в процессе ТО, должна быть предусмотрена возможность выполнения этих работ силами двух человек. Агрегаты весом более 30 кг должны иметь узлы для подъемных приспособлений.

Соответствует

12

Дренажи агрегатов двигателя должны быть объединены в группы и выводиться в безопасные места, исключающие возникновение пожара. Загрязнение стенда сливом любых жидкостей не допускается.

Соответствует

Количественная характеристика качественной оценки определяется фактическим уровнем технологичности по качественным требованиям из выражения:

,

 где NУД=11 - количество удовлетворительных оценок выполнения качественных требований;

N=12 - общее количество качественных требований к системе.

Конструкция двигателя соответствует требованиям технологичности на 92%.

Результаты качественного анализ контролепригодности представлены в таблице 10.

Таблица 10 – Результаты качественного анализа контролепригодности двигателя Сатурн РД-600В

№ треб.

Содержание требований

Соответствие

Примечания

1

Для контроля параметров режима ГТД должны измеряться:

- частота вращения роторов;

Соответствует

- температура газа;

Соответствует

- крутящий момент на валу;

Соответствует

- расход топлива (объемный и массовый)

Соответствует

- положение рычага управления двигателем (РУД)

Соответствует

2

Должны быть установлены сигнализаторы:

- минимального давления топлива;

Соответствует

- максимального давления топлива;

Соответствует

- минимального давления масла;

Соответствует

- максимального давления масла;

Соответствует

- максимального уровня вибрации;

Соответствует

- появления стружки в масле;

Соответствует

- пожара двигателя;

Соответствует

- возникновения помпажа;

Соответствует

3

Для контроля состояния масла на каждом ГТД должны применяться:

- магнитные пробки для улавливания ферромагнитных (стальных) частиц;

Соответствует

- сливные краны для отбора проб масла для проведения наземного анализа на содержание продуктов изнашивания

Соответствует

Окончание таблицы 10

№ треб.

Содержание требований

Соответствие

Примечания

4

На каждом ГТД должна быть обеспечена возможность периодического контроля деталей проточной части с помощью специальных оптических, ультразвуковых и токовихревых приборов. Для ввода датчиков приборов в проточную часть должны быть предусмотрены отверстия (лючки, окна)

Компрессор:

- первая и вторая осевые ступени

Соответствует

- третья ступень

Не соответствует

Нет окон для введения инструмента

- центробежная ступень

Соответствует

Турбина:

- Первая ступень

Соответствует

- СА второй ступени

Не соответствует

Сложность проникновения через петлевую камеру сгорания

- РК второй ступени

Соответствует

- свободная турбина

Соответствует

5

На всех ГТД должна быть предусмотрена возможность проведения рентгенографического контроля деталей проточной части с помощью радиоизотопного источника излучения, вводимого в полный вал ротора

Соответствует

Количественная характеристика качественной оценки определяется фактическим уровнем контролепригодности по качественным требованиям из выражения:

,

где  NУД=21 - количество удовлетворительных оценок выполнения качественных требований;

N=23 - общее количество качественных требований к системе.

Конструкция двигателя соответствует требованиям контроле пригодности на 91%.

1.3.2 Количественный анализ технологичности

Обнаружение, устранение и предупреждение отказов и неисправностей авиационной техники, а также трудоемкость и время выполнения работ зависят от доступности к отдельным агрегатам, узлам и деталям, их легкосъемности и взаимозаменяемости, а также от удобства работы технического состава при выполнении технологических операций. Эти свойства характеризуются рядом дополнительных показателей, определяемых при количественном анализе технологичности. Расчет показателей производится на основе данных хронометража работ, выполненного в период прохождения преддипломной практики.

Количественный анализ технологичности будем проводить для операции монтажа двигателя РД-600В на раму стенда (таблица 11).

Таблица 11 - Данные хронометража работ двигателя РД-600В на раму стенда

№ работ

Содержание работ

Количество исполните- лей, чел

Время выполне- ния, ч

Трудо- емкость, чел*ч

Коэффициент снижения производительности труда, Кпт

1

Проверить работу электрических тельферов, пригодность и комплектность гидроподъемного приспособления МХ.355.00.000

1

0,083

0,083

0

Продолжение таблицы 11

№ работ

Содержание работ

Количество исполните- лей, чел

Время выполне- ния, ч

Трудо- емкость, чел*ч

Коэффициент снижения производительности труда, Кпт

2

Закрепить гидроподъемное приспособление МХ.355.00.000 за такелажные места на рамах СТ и ГГ. Демонтировать технологическую заглушку с выходного вала

3

0,083

0,249

0,05

3

Демонтировать крепление двигателя к платформе ТХ.1058.00.000

3

0,083

0,249

0

4

Приподнять двигатель на (150 …200) мм и опустить колеса на раме ГГ и СТ

3

0,083

0,249

0

5

Установить двигатель на раму стенда, закатить на колесах в устройство выхлопа

4

1

4

0

6

Установить фиксатор СТ и тягу СТ в рабочее положение «Б»

1

0,5

0,5

0,33

7

Установить стопорные болты задней подвески СТ в рабочее положение

1

0,083

0,083

0,05

8

Проверить затяжку фундаментных болтов жесткого стенда до упора

2

0,417

0,834

0,33

9

Поднять колеса на раме ГГ и СТ до упора и зафиксировать стопорными болтами

4

0,5

2

0,33

10

Выполнить центровку двигателя относительно штатной улитки. Замерить размеры L2=65-1+2мм, L2факт=?, H2=7-+2мм, Н2факт=?

4

3

12

0,33

11

Выполнить затяжку болтов крепления ГГ и СТ, выхлопного устройства к раме жесткого стенда. Установить и закрепить стремянки

2

0,667

1,334

0,05

12

Смонтировать на вход двигателя переходник Х.0204.00.001 или насадок 9999.12.567 (болты 010.0944-42 шт.), проставку 6454.01.003 или насадок 96КГ.111.090 (болты 010.0944 – 36 шт.). Контровки 014.0731 законтрить (для всех насадок и проставок)

2

0,5

1

0,33

Окончание таблицы 11

№ работ

Содержание работ

Количество исполните- лей, чел

Время выполне- ния, ч

Трудо- емкость, чел*ч

Коэффициент снижения производительности труда, Кпт

13

Вывести шпинделя обеих цапф из гнезд узла подвески средней опоры ГГ на расстояние (130…132) мм от торца корпуса подвески. Закрепить и законтрить шпинделя цапф с помощью контргайки и стопорных шайб

2

0,333

0,666

0,05

14

Проверить положение тяги 4

1

0,083

0,083

0

Определим дополнительные количественные показатели технологичности: коэффициенты доступности, легкосъемности, удобства работ.

Таблица 12 - Промежуточные расчетные значения параметров, используемых при расчете дополнительных показателей технологичности

№ оп.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

Тдоп

0,083

0,249

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0,083

0,415

Тосн

0

0

0,249

0,249

4

0,5

0,083

0,834

2

12

1,334

1

0,666

0

22,915

дм

0

0

0

0

0,666

0

0

0

0,666

0

0,666

0

0

0

1,998

Тдм

0,083

0,249

0,249

0,249

4

0,5

0,083

0,834

2

12

1,334

1

0,666

0,083

23,330

Кпт

0

0,05

0

0

0

0,33

0,05

0,33

0,33

0,33

0,05

0,33

0,05

0

   ----  

t

0,083

0,083

0,083

0,083

1

0,5

0,083

0,417

0,5

3

0,667

0,5

0,333

0,083

7,415

Кпт*t

0

0,004

0

0

0

0,165

0,004

0,138

0,165

0,99

0,033

0,165

0,017

0

1,681

Тдоп – трудоемкость дополнительных работ, чел*ч;
Т
осн – тудоемкость основных работ, чел*ч;
dТдм – превышение трудоемкости демонтажно-монтажных работ по рассматриваемой операции над эталонным значением, чел*ч;
Т
дм – трудоемкость демонтажно-монтажной работы по рассматриваемой операции, чел*ч;
К
пт – коэффициент снижения производительности труда;
ti – время выполнения i–ой операции, ч.

Доступность объекта характеризуется показателем доступности Кд.

Коэффициент сравнительной оценки Дд равен:
Д
д=(Кдд.норм)*100%=(0,982/1)*100%=98,2%,
где К
д.норм – нормативное значение показателя доступности по операции монтажа двигателя на стенда.

Коэффициент сравнительной оценки Дд указывает на то, что доступность к двигателю при испытаниях чуть ниже нормативной (Дд=98,2%<100%).

Легкосъемность объекта характеризуется показателем легкосъемности Кл.

Коэффициент сравнительной оценки Дл равен:
Д
л=(Клл.норм)*100%=(0,914/1)*100%=91,4%,
где Кл.норм – нормативное значение показателя легкосъемности по операции монтажа двигателя на раму стенда.

Коэффициент сравнительной оценки Дл указывает на то, что легкосъемность двигателя ниже нормативной (Дл=91,4%<100%).

Удобство работ характеризуется показателем Куд.

Коэффициент сравнительной оценки Дуд равен:
Дуд=(К
удуд.норм)*100%=(0,773/1)*100%=77,3%,
где Куд.норм – нормативное значение показателя удобства работ по операции монтажа двигателя на раму стенда.

Коэффициент сравнительной оценки Дуд указывает на то, что удобство работ при испытаниях объекта ниже нормативного значения (Дуд=77,3%<100%).

1.3.3 Мероприятия по повышению технологичности 

Проведя качественный и количественный анализ операции, входящей в процесс испытания двигателя, можно сделать следующие выводы.

Конструкция двигателя РД-600В соответствует требованиям технологичности на 92%.

Рассчитанные коэффициенты Дд, Дл, Дудд=98,2%; Дл=91,4%; Дуд=77,3%) позволяют сделать вывод о том, что показатели доступности и легкосъемности объекта вполне удовлетворительные.

2 Анализ и совершенствование технологического процесса испытания вертолётного двигателя Сатурн РД-600В

Эффективность испытания авиационной техники во многом зависит от совершенства организационной структуры и технической оснащенности процесса испытания. Организационное направление базируется на внедрении прогрессивных методов испытаний, совершенствование организационной структуры процессов, а техническое - по комплексной механизации и автоматизации технологических процессов, совершенствовании технологий испытаний, повышении квалификации инженерно -технического состава. 

Все испытания можно разделить на три большие группы: исследовательские, опытные и заводские (серийные).

Исследовательским испытаниям подвергают отдельные узлы двигателя (полноразмерные, или натурные, и модельные), а также весь двигатель в целом. Назначением этих испытаний является исследование рабочего процесса и степени влияния на его протекание внешних и внутренних факторов; например, таких внешних факторов, как температура, давление, влажность окружающего воздуха, и таких внутренних факторов, которые характеризуют данный узел, как, например, степень повышения давления воздуха в компрессоре, к. п. д. компрессора, коэффициенты восстановления полного давления воздухозаборника, камер сгорания, реактивного сопла и т. п.

Все измерения производят особенно тщательно и в широком диапазоне режимов. Данные, полученные во время исследовательских испытаний, обычно обобщают и используют для создания новых или уточнения существующих методов расчета (прочностных, газодинамических и термодинамических) двигателя и его элементов.

Назначением опытных испытаний является проверка опытного двигателя (агрегата) и его доводка. Эти испытания проводят в ОКБ, НИИ и на заводах.

Как известно, сравнительно редко удается получить заявленные параметры (силу тяги, мощность, удельный расход и т. п.) уже во время первых испытаний двигателя. В большинстве случаев лишь путем доводки, т. е. внесения ряда изменений в конструкцию, удается получить нужные значения силы тяги, удельного расхода и других параметров двигателя.

К опытным испытаниям обычно относят доводочные и государственные.

С помощью доводочных испытаний обеспечивают достижение необходимых (заявленных) параметров двигателя и высокой его надежности. Эти испытания очень многогранны и многочисленны по видам.

После достижения расчетных параметров по силе тяги и удельному расходу топлива ставится задача доводки двигателя до заявленного ресурса.

При внесении в конструкцию двигателя изменений с целью устранения обнаруженных дефектов надежность работы двигателя повышается, что дает возможность перейти к более широкой проверке двигателя.

Не все из перечисленных .выше различных видов испытаний являются обязательными для всех типов двигателей. При определении перечня необходимых испытаний исходят из типа и назначения двигателя и его особенностей.

Государственные испытания завершают определенный этап доводки двигателя. Эти испытания проводят с целью приемки нового или модифицированного двигателя, проверки его параметров и определения целесообразности его серийного производства.

Как правило, государственные испытания проводят по типовой программе, которая учитывает особенности данного двигателя и условия его эксплуатации. В программу государственных испытаний включают длительные испытания на ресурс и, в случае необходимости, летные испытания.

Государственная комиссия может назначить, кроме того, специальные испытания для проверки результатов устранения дефектов, обнаруженных при доводке, а также испытания в термобарокамере.

Заводские испытания проводят с целью определения качества изготовления и надежности работы серийных двигателей. К ним относятся: кратковременные испытания — сдаточные и контрольные, •— которые проходит каждый выпускаемый заводом новый или отремонтированный двигатель, и длительные испытания—за месячную программу, за квартальную программу (комиссионные), испытания до полного разрушения двигателя и технологические.

В процессе эксплуатации двигателя на нем могут быть обнаружены те или иные дефекты. Над устранением этих дефектов работают конструкторские и исследовательские отделы заводов. После их устранения проводят длительные заводские технологические испытания, в процессе которых проверяют, как устранен дефект и как изменилась работа других узлов в результате изменений, проведенных в дефектном узле.

В процессе эксплуатации двигатели могут подвергаться ударам предметами, находящимися в воздухе. Статистика летных происшествий, связанных с попаданием посторонних предметов в двигатели, показывает, что чаще всего посторонние предметы попадают в двигатели на земле или в полете у земли на высоте 0 ... 0,6 км (режимы руления по аэродрому, взлета, посадки). Значительная опасность попадания птиц в двигатели, например, существует до высот полета Н=1,2 ... 1,8  км, она снижается на Н=2...3 км и практически исчезает при высоте полета Н >4,5 км.

В связи с вероятностью попадания посторонних предметов, оказывающих ударное, разрушающее воздействие на планер и, в особенности, на двигатели, все новые современные двигатели проходят испытания на заброс на вход предметов, попадающих в двигатели в процессе эксплуатации. Двигатели в процессе таких испытаний должны доказать работоспособность, исключающую возникновение катастрофических последствий для экипажа и пассажиров. По характеру воздействия на работу силовой установки (в соответствии с Нормами летной годности ICAO) посторонние предметы делятся на две основные группы.

В первую группу входят предметы, влияющие только на работу одного двигателя многодвигательного летательного аппарата (обтирочная ветошь, ручной инструмент, куски резины от авиашин, лопатка вентилятора, птица массой 1,8 кг). Если при попадании предметов этой группы в двигатель не возникает пожара, взрыва или разрушения, двигатель считается выдержавшим испытания. Оборвавшиеся при ударе детали двигателя (лопатки, стойки) не должны пробивать корпуса двигателя, а сам двигатель может быть отключен по сигналам контрольных приборов в кабине, позволяющих контролировать состояние и режим работы двигателя.

Предметы, влияющие на  работу всех двигателей многодвигательного летательного аппарата при единичном попадании, выделяют во вторую группу. Мелкие предметы (песок, гравий, град, мелкие и средние птицы) забрасываются в двигатель группами с помощью различных разгонных устройств, обеспечивающих  этим предметам потребные (полетные)  скорости заброса. Так как принято, что предметы второй группы оказывают воздействие на все двигатели одновременно, то к двигателям предъявляются дополнительные требования: двигатель должен после попадания в него предметов второй группы создавать не менее 75% расчетной тяги без значительных перебоев (провалов тяги) в работе в течение 5 мин.

2.1 Анализ организационной структуры процесса испытаний

Основой для разработки организационных мероприятий по совершенствованию процессов испытаний служат результаты анализа действующих процессов, а также глубокое изучение научных методов организации производственных процессов. К их числу относятся методы сетевого планирования и управления (СПУ). [14]

2.1.1 Анализ методов организации технологического процесса испытаний

В период прохождения преддипломной практики на ОАО «НПО»Сатурн» были собраны материалы, служащие основой для построения логической модели.

Испытания осуществляются комплексным методом. Двигатель закрепляется на испытательном стенде, производится монтаж систем,  на двигателе монтируются дополнительные датчики, после чего проводят полный цикл испытаний, включающий в себя так же и приработку. Данный метод позволяет уменьшить (исключить) потери времени на перезакрепление и переподключение при переходе с приработочного стенда на испытательный, увеличить количество замеров при том же времени испытаний, что дает возможность точнее оценить техническое состояние двигателя.

2.1.2 Анализ структуры процесса технического обслуживания

На основе данных полученных при изучении регламента и технологии испытаний на ОАО «НПО»Сатурн» составляется перечень работ процесса (таблица 13).

Таблица 13 – Перечень операций, выполняемых в ходе проведения специальных испытаний.

№ п/п

Операция

1

Приемка двигателя в сборочном цехе

2

Осмотр транспортировочных устройств

3

Проверка комплектности двигателя и прилагаемых деталей

4

Проверка оформления документов и паспортов агрегатов

5

Осмотр узлов крепления агрегатов к двигателям

6

Проверка легкости вращения роторов

7

Оформление акта о приемке

8

Транспортировка двигателя в сборе

9

Установка двигателя на стенд

10

Монтаж соединительного вала и центровка роторов

11

Подключение систем контроля

12

Подключение систем управления

13

Монтаж установки

14

Нивелировка установки

15

Калибровка установки

16

Запуск и прогрев двигателя по режиму прогрева

17

Заданный режим работы и выдержка на этом режиме 5 мин

18

Заброс на заданном режиме нужного количества птиц и с назначенной скоростью

19

Выдержка на заданном режиме не менее 5 мин (если параметры двигателя не вышли за предельные значения)

20

Остановка двигателя

21

Визуальный и с помощью специальных оптических средств осмотр узлов и деталей, доступных без разборки

22

Запуск наработка в течении 15 мин на крейсерском режиме с измерением параметров работы двигателя (если при осмотре не было обнаружено повреждений деталей опасных для дальнейших испытаний)

Далее строится модель технологического процесса специального испытания (таблица 14). Необходимо отметить, что особенностью технологического процесса испытаний является то, что большинство работ выполняется последовательно.

Таблица 14 – Последовательность выполнения операций при проведении специальных испытаний.

№ перехода

Краткое содержание операций

0-1

Приемка двигателя в сборочном цехе

1-2

Осмотр транспортировочных устройств

2-3

Проверка комплектности двигателя и прилаг. Деталей

3-4

Проверка оформления докум. и паспортов агрег.

4-5

Осмотр узлов крепления агрегатов к двигателям

5-6

Проверка легкости вращения роторов

Окончание таблицы 14

№ перехода

Краткое содержание операций

7-8

Транспортировка двигателя в сборе

8-9

Установка двигателя на стенд

9-10

Монтаж соединительного вала и центровка роторов двигателя и тормозного устройства

9-11

Подключение систем контроля

9-12

Подключение систем управления

9-13

Монтаж установки

13-14

Нивелировка установки

14-15

Калибровка установки

15-16

Запуск и прогрев двигателя по режиму прогрева

16-17

Заданный режим работы и выдержка на этом режиме 5 мин

17-18

Заброс на заданном режиме нужного количества птиц и с назначенной скоростью

18-19

Выдержка на заданном режиме не менее 5 мин (если параметры двигателя не вышли за предельные значения)

19-20

Остановка двигателя

20-21

Визуальный и с помощью специальных оптических средств осмотр узлов и деталей, доступных без разборки

21-22

Запуск наработка в течении 15 мин на крейсерском режиме с измерением параметров работы двигателя (если при осмотре не было обнаружено повреждений деталей опасных для дальнейших испытаний)

На основе данных таблицы 14 строится логическая модель (сетевой график) процесса специальных испытаний двигателя Сатурн РД-600В (рисунок 19).

После этого производится хронометраж выполняемых работ. Указывается: время выполнения работ при наиболее благоприятных условиях tmin; максимальная продолжительность выполнения работ при наиболее не благоприятных условиях tmax. Ожидаемая продолжительность каждой работы вычисляется по формуле:

Дисперсия времени продолжительности работ, отражающая меру неопределенности предварительной оценки или степень риска  данной продолжительности работы находим по формуле:

Исходные данные для построения логической модели специальных испытаний (имитация попадания птиц во входное устройство) двигателя РД-600В представлены в таблице 16. Анализ производится с целью выявления операций с наибольшей трудоёмкостью, что бы в дальнейшем разработать мероприятия по их сокращению, а так же нахождения вероятности выполнения комплекса работ в срок.

Таблица 15 - Хронометраж работ по проведению специальных испытаний.

№ перехода

Краткое содержание операций

Число исполнителей

Продолжительность, час

2

tmin

tmax

tож

1

2

3

4

5

6

7

0-1

Приемка двигателя в сборочном цехе

3

0,70

1,16

0,98

0,0085

Стадия 1.

1-2

Осмотр транспортировочных устройств

1

0,13

0,19

0,17

0,0001

2-3

Проверка комплектности двигателя и прилагаемых деталей

1

0,50

1,33

1,00

0,0276

3-4

Проверка оформления документов и паспортов агрегатов

2

0,11

0,18

0,15

0,0002

4-5

Осмотр узлов крепления агрегатов к двигателям

4

0,13

0,23

0,19

0,0004

5-6

Проверка легкости вращения роторов

1

0,16

0,23

0,20

0,0002

6-7

Оформление акта о приемке

1

1,50

2,50

2,10

0,0400

Стадия 2

7-8

Транспортировка двигателя в сборе

3

2

12

6

0,100

Стадия 3

8-9

Установка двигателя на стенд

6

0,5

1,2

0,78

0,0196

9-10

Монтаж соединительного вала и центровка роторов

2

0,73

1,18

1,00

0,0081

9-11

Подключение систем контроля

1

0,22

0,37

0,31

0,0009

9-12

Подключение систем управления

1

0,22

0,37

0,31

0,0009

9-13

Монтаж установки

2

0,5

0,83

0,632

0,0043

13-14

Нивелировка установки

2

0,16

0,33

0,228

0,0012

Стадия 4 Испытания

14-15

Калибровка установки

3

0,33

1

0,598

0,018

15-16

Запуск и прогрев двигателя по режиму прогрева

3

0,05

0,06

0,055

0,0125

16-17

Заданный режим работы и выдержка на этом режиме 5 мин

3

0,08

0,1

0,088

0

17-18

Заброс на заданном режиме нужного количества птиц и с назначенной скоростью

3

0,0083

0,02

0,013

0

18-19

Выдержка на заданном режиме не менее 5 мин (если параметры двигателя не вышли за предельные значения)

3

0,083

0,16

0,1138

0,00023

19-20

Остановка двигателя

3

0,033

0,08

0,0518

0,0001

20-21

Визуальный и с помощью специальных оптических средств осмотр узлов и деталей, доступных без разборки

2

1

2

1,5

0,081

Окончание таблицы 15

1

2

3

4

5

6

7

21-22

Запуск наработка в течении 15 мин на крейсерском режиме с измерением параметров работы двигателя (если при осмотре не было обнаружено повреждений деталей опасных для дальнейших испытаний)

6

0,25

0,33

0,282

0,0003

Общие данные

9,39

25,9

16,902

0,4377

Для анализа организационной структуры процесса испытаний необходимо рассчитать следующие параметры сетевого графика:

tрн(i, j) - ранний срок начала работы

tпн(i, j) - поздний срок начала работы

tро(i, j) - ранний срок окончания работы

tпо(i, j) - поздний срок окончания работы

Pп(i, j) - полный резерв времени работы

Pс(i, j) - свободный резерв времени работы   

Kн(i, j) - коэффициент напряженности работы

Расчет параметров ведется по формулам:

tро(i, j) = tрн(i, j) + tож(i, j)

tрн(j, k) = tро(i, j),

где (j, k) –последующая работа

tрн(j, k) =max t(i, j) – если работе (j, k) предшествует несколько работ;

tпн(i, j) = tпо(i, j) - tож(i, j)

tпо(i, j) = tпн(j, k) или tпо(i, j) =min tпн(j, k)

Pп(i, j) = tпн(i, j) - tрн(i, j)

Pс(i, j) = tрн(j, k) - tро(i, j)= tрн(j, k) - tpн(i, j) - tож(i, j)

Коэффициент напряженности работы Kн(i, j), характеризует степень напряженности сроков выполнения работ:

 

где -  t(L)мах - длина max пути проходящего через работу (i, j);

tкр - длинна критического пути

t’кр(L) - часть критического пути, проходящая через работу (i, j);

Расчет параметров сетевого графика проведен табличным способом. Данные расчета сведены в таблицу 16.

Таблица 16 - Расчет параметров сетевого графика

Кол-во предшес.

Шифр работ

tож , ч.

tрн , ч. 

tро , ч. 

tпн, ч. 

tпо, ч. 

Pп

Pс

Kн

2

0

0-1

0,98

0

0,98

0

0,98

0

0

1

0,0085

1

1-2

0,17

0,98

1,15

0,98

1,15

0

0

1

0,0001

2

2-3

1

1,15

2,15

1,15

2,15

0

0

1

0,0276

3

3-4

0,15

2,15

2,3

2,15

2,3

0

0

1

0,0002

4

4-5

0,19

2,3

2,49

2,3

2,49

0

0

1

0,0004

5

5-6

0,2

2,49

2,69

2,49

2,69

0

0

1

0,0002

6

6-7

2,1

2,69

4,79

2,69

4,79

0

0

1

0,04

7

7-8

6

4,79

10,79

4,79

10,79

0

0

1

0,1

8

8-9

0,78

10,79

11,57

10,79

11,57

0

0

1

0,0196

9

9-10

1

11,57

12,57

12,028

13,028

0,458

0

0,69

0,0081

9

9-11

0,31

11,57

11,88

12,718

13,028

1,148

0

0,21

0,0009

9

9-12

0,31

11,57

11,88

12,718

13,028

1,148

0

0,21

0,0009

9

9-13

0,6320

11,57

12,202

11,57

12,202

0

0

1

0,0043

13

13-14

0,2280

12,202

12,43

12,202

12,43

0

0

1

0,0012

14

14-15

0,598

12,43

13,028

12,43

13,028

0

0

1

0,018

15

15-16

0,055

13,028

13,083

13,028

13,083

0

0

1

0,0125

16

16-17

0,088

13,083

13,171

13,083

13,171

0

0

1

0

17

17-18

0,013

13,171

13,184

13,171

13,184

0

0

1

0

18

18-19

0,1138

13,184

13,298

13,184

13,298

0

0

1

0,1138

19

19-20

0,0518

13,298

13,35

13,298

13,35

0

0

1

0,0001

20

20-21

1,5

13,35

14,85

13,35

14,85

0

0

1

0,081

21

21-22

0,282

14,85

15,132

14,85

15,132

0

0

1

0,0003


Рисунок 19 – Логическая модель процесса  специальных испытаний


tкр=15,1316 часов.

Оценка совершенства организационной структуры процесса производим по вероятности Р(tдир  tкр) т.е. возможного выполнения комплекса работ в установленный срок (tдир):

P(tдир  tкр)  Рзад ;

где tдир=17 часов;

Рзад0,95.

Распределение времени выполнения работ обычно подчиняется нормальному закону:

,

где Ф - стандартный интеграл вероятностей;

2кр - сумма дисперсий продолжительности работ критического пути;

Поскольку вероятность выполнения всего комплекса работ больше заданной, можно сделать вывод, что структура процесса в совершенствовании не нуждается.  Однако из анализа стадии испытания видно, что большая часть времени тратится на операции калибровки и  визуальный осмотр узлов и деталей. Сократить время визуального осмотра без потери качества не представляется возможным, а при доработке пневматической пушки используемой для заброса птиц, необходимость проведения калибровки отпадает. Калибровка – процесс подбора необходимого давления в системе для получения заданной скорости птицы определённого размера.

Следовательно, с учётом того, что необходимо повторять стадию испытаний не менее 3 раз (для крупных, средних и мелких птиц),  после введения доработок пневмопушки значительно сокращается время испытаний.

2.2 Анализ технологической оснащённости технологического процесса испытаний вертолётного двигателя Сатурн РД-600В

Среди большого количества факторов, оказывающих непосредственное влияние на производительность труда, важнейшее значение имеет технологическая оснащённость производственных процессов. Широкое применение автоматизации и механизации при испытаниях авиационных двигателей, помимо существенного сокращения затрат труда и роста производительности, позволит сократить время доводки и сертификации новых образцов, а значит увеличить возможность более интенсивного использования основных фондов предприятий.

Двигатель РД-600В испытывается на специально спроектированном для него стенде, загрузка выходного вала осуществляется гидротормозным устройством. Системы стенда имитирует все системы ЛА взаимодействующие с двигателем.

Снятие параметров, управление и диагностирование двигателя осуществляется с помощью ЭВМ. При снятии параметров ошибка человека исключена. ЭВМ позволяет оперативно корректировать ограничения и программы регулирования двигателя, а так же изменять алгоритмы по которым осуществляется диагностирование двигателя.

Агрегаты стенда не препятствуют проведению на двигателе регламентных работ, визуальных осмотров двигателя и элементов проточной части. Осмотр первой ступени турбины возможен только гибким эндоскопом, причем без особых затруднений осмотреть только передние кромки соплового аппарата первой ступени, осмотр задних кромок соплового аппарата и передних рабочего колеса первой ступени затруднены. Затруднения связанны с наличием петлевой камерой сгорания, через которую затруднительно введение эндоскопа. Для осмотра проточной части применяется цифровой эндоскоп Olympus.

Стенд спроектирован так, что позволяет оперативно производить монтаж и демонтаж двигателя. Изделие устанавливается на переходной раме к основанию стенда, после ее монтажа необходимо соединить трансмиссией двигатель с тормозным устройством, а так же присоединить, к переходной раме, гибкие трубопроводы внешних систем обеспечивающих работу двигателя и системы замера параметров, так же к переходной раме присоединяются электрические разъемы.

Для удобства обслуживания двигателя при проведении испытаний на нём имеются технологические лючки и смотровые окошки. Так же имеется возможность проведения дополнительной препарации.

Для определения чистоты масла, т.е. для обнаружения металлической стружки в масле, редуктор снабжён магнитными пробками и фильтром-сигнализатором стружки. 

2.2.1 Анализ технологии и оборудования

 Результаты анализа процесса испытаний показывают, что одним из требований сертификационного базиса вертолётных двигателей является проведение испытаний с имитацией попадания в двигатель птиц. Для проведения таких специальных испытаний в настоящее время применяется пневматическая пушка, которая требует значительных затрат времени на калибровку. Данная пушка состоит из рамы, баллона со сжатым воздухом, ресивера, взрывной мембраны, пневматического клапана, ствола, соединительной арматуры. 

Применение пневматического клапана для подачи давления на ножи, разрушающие взрывную мембрану, требует значительной длины магистрали для вывода крана на пульт управления и дополнительной ёмкости со сжатым воздухом.

Калибровка необходима для получения необходимой скорости птицы, путём изменения давления в ресивере. При применении пневматической пушки существующей конструкции операцию калибровки необходимо проводить для каждой конкретной птицы, т.к. имеются различия размеров птиц, а размер ствола постоянен. В результате значительно увеличивается время на проведение испытания, а так же в случае несоответствия скорости тушки птицы заданной, потребуется повторное проведение испытания. Что в конечном итоге приводит к увеличению временных и финансовых затрат на сертификацию и доводку двигателя.

В связи с выше сказанным, существует необходимость в исследовании и совершенствовании существующего технологического оборудования для проведения специального испытания двигателя по имитации попадания птиц во входное устройство.

2.3 Разработка технологического оборудования 

Для сокращения времени калибровки пневмопушки предлагается применить жёсткий пыж, устройство, препятствующее его выходу из ствола при проведении испытаний. 

Это позволяет исключить влияние размеров птицы на давление в ресивере, что являлось основной проблемой при калибровке, и значительно сокращает время на переоборудование стенда для проведения специальных испытаний с имитацией попадания посторонних предметов в двигатель. 

Так же применение жёсткого пыжа даёт возможность применять разрабатываемую пневматическую пушку для заброса других посторонних предметов (обтирочная ветошь, ручной инструмент, болты и гайки, куски резины от авиашин, гравий и др.) применять её для испытания других типов двигателей без доработок конструкции пушки, изменяя лишь давление воздуха в баллоне.

В случае применения вместо пневматического клапана пневмоэлектрического значительно упрощает монтаж установки на стенде, т.к. отпадает необходимость в проводке к пульту управления магистрали со сжатым воздухом. 

Разработка технического задания на проектируемое оборудование

Проектируемая пневматическая пушка предназначена заброса птиц различного размера при проведении специальных испытаний с имитацией попадания в двигатель птиц. К пушке  предъявляется ряд технических требований, которые необходимо обеспечить при её проектировании.

  1.  Время предварительных работ, таких как калибровка, замена стволов для проведения забросов птиц различного размера и других, должно быть минимальным.
  2.  При проведении испытания не допускается попадание в двигатель кусков материала взрывной мембраны, пыжа и его элементов.
  3.  Установка должна обеспечивать скорость тушки крупной птицы на выходе из ствола 300 км/ч, для средней – 250 км/ч, для мелкой – 20 км/ч.
  4.  В качестве крупной птицы принимается птица массой 1,8 кг, средней – 0,3 кг, мелкой - 0,03 кг.
  5.  Должны обеспечиваться удобство и простота при проведении работ с применением пневматической пушки.
  6.  Все доработки должны быть произведены с минимальным изменением существующей конструкции.
  7.  Работа пушки должна обеспечиваться стандартными системами подачи воздуха и электропитания.
  8.  Должна быть предусмотрена возможность применения разрабатываемой пневматической пушки для испытания двигателей других типов, без дополнительных доработок.
  9.  При работе и обслуживании установки должны обеспечиваться требования безопасности.

Принцип работы установки

 В  ёмкостях БВ1, БВ3 (рисунок 20)  установки создаётся давление  воздуха, необходимое для выполнения условий проведения испытания. Одновременно то же давление создаётся в полости ресивера РК. Полость ресивера и внутреннюю полость ствола разделяет взрывная мембрана МВ.  При подачи электрического сигнала на электропневматический клапан ПК давление из ёмкости БВ2 подаётся на поршень пневматического цилиндра ЦП прорыва взрывной мембраны. Поршень ЦП, совершая поступательное движение, перемещает ножи Н, которые в свою очередь разрушают взрывную мембрану МВ.

Давление воздуха, воздействуя на фторопластовый пыж 7 (рисунок 21) с вложенной в него тушкой птицы, предаёт последнему необходимое ускорение. На определённом этапе разгона пыжа, после достижении необходимой скорости, давление воздуха из-за пыжа сбрасывается в атмосферу через щелевые отверстия в стволе. После этого происходит останов пыжа о тормозное кольцо, закреплённое на срезе ствола посредствам пневмоамортизаторов. В этот момент тушка птицы беспрепятственно отделяется от пыжа и с заданной скоростью выходит из ствола в направлении воздухозаборника испытуемого двигателя.

Для исключения превышения расчётного давления в системе установлен регулируемый предохранительный клапан КП1, КП2 (рисунок 20).

Скорость птицы определяется на выходе из ствола пневмопушки на фоне мерной линейки.

На основе спроектированной принципиальной схемы (рисунок 20) производится подбор деталей для установки. Компоновочная схема установки показана на рисунке 21.

1, 2 - магистраль системы разрушения взрывной мембраны; 3, 4 – магистраль основной системы. ПРС1, ПРС2 – приспособление НУ-9902-150М; ПР1, ПР2, ПР3, ПР4 – пневматический разъём; РД1, РД2 – регулятор давления; МН1, МН2 – манометр; ВН1, ВН2 – вентиль; БВ1, БВ3 – баллоны воздушные основной системы; БВ2 – баллон воздушный системы разрушения взрывной мембраны; КП1, КП2 – клапан предохранительный; ПК – электропневматический клапан;
ЦП – цилиндр пневматический; Н – нож; РК – реверсивная камера; МВ – мембрана взрывная.
Рисунок 20 – Принципиальная пневматическая схема установки

1 – рама; 2 – баллоны со сжатым воздухом основной системы; 3 – баллон системы разрушения взрывной мембраны; 4 – механизм останова пыжа; 5 – опора ствола; 6 – ствол; 7 – пыж;
8 – взрывная мембрана; 9 – ресивер; 10 -  механизм разрушения взрывной мембраны

Рисунок 21 – Схема установки компоновочная

Состав устройства

Установка состоит из следующих частей:

  1.  рама;
  2.  основные ёмкости со сжатым воздухом (2шт);
  3.  ёмкость со сжатым воздухом механизма разрушения взрывной мембраны;
  4.  ресивер (ресиверы);
  5.  взрывная мембрана;
  6.  устройство разрушения взрывной мембраны;
  7.  ствол (стволы);
  8.  фторопластовый пыж;
  9.  механизм остановки пыжа.

 Определим давление, которое обеспечит необходимое усилие действующее на пыж с тушкой птицы для получения необходимой скорости тушки на выходе из ствола.

Для этого в первую очередь необходимо определить массу фторопластового пыжа.

Расчёт массы пыжей

;

где  =1700 кг/м3 - платность материала пыжа – фторопласта Ф-2;

 VП – объём пыжа.

;

где Vц – объём цилиндра;

 VК – объём усечённого конуса;

 R – радиус цилиндра;

 H – высота цилиндра;

 r – радиус большего основания усечённого конуса;

 r1 – радиус меньшего основания усечённого конуса;

 h – высота усечённого цилиндра.

Для пыжа используемого при забросе крупной птицы получаем.

Для пыжа используемого при забросе средней и мелкой птицы получаем.

Расчёт давления необходимого давления воздуха для получения заданной скорости тушки птицы на выходе из ствола пнемопушки.

Работу силы давления сжатого воздуха (Ав), действующей на дно пыжа, можно определить по следующей формуле:

;

где WК – кинетическая энергия пыжа с вложенной в него тушкой птицы;

 Aтр – работа силы трения.

Подставив известные формулы, получим:

;

где FB – сила давления сжатого воздуха;

 L – эффективная длина ствола;

 l – длина щелевых окон перепуска воздуха;

 m – суммарная массы пыжа и тушки курицы;

- скорость тушки курицы на выходе из ствола;

 g – ускорение свободного падения;

 f= 0,06 – коэффициент трения скольжения фторопласт – сталь.

 

Из последней формулы выражая FB , получим:

Для определения необходимого давления сжатого воздуха РВ используется известная формула:

;

где SП – площадь дна пыжа.

Подставив формулу для нахождения площади круга, получим:

.

Для случая проведения забросав крупной птицы получаем:

Для получения необходимой скорости тушки средней птицы находим:

Для проведения испытания с забросом мелкой птицы, получаем:

Для получения точной зависимости между давлением, скоростью и забрасываемой массы, после изготовления необходимо провести калибровку. В ходе калибровки для компоновки установки большим стволом и малым строятся номограммы, примерный вид которых показан на рисунке 21.

Мембрана должна выдерживать заданный перепад давлений.

Подбор взрывной мембраны.

В качестве материала мембраны принимаем фольгу из алюминиевого сплава А7 (отожжённый).

Расчёт толщины мембраны проводим по формуле [27]:

;

где PВ – давление сжатого воздуха;

 RМ – радиус мембраны;

[] = 80 МПа – допускаемое напряжение растяжения-сжатия для алюминиевых сплавов.

Рассчитываю толщину мембраны для случая заброса крупной птицы:

Рисунок 21 – Номограмма для определения давления в зависимости
от скорости и массы тушки птицы

Принимаю толщину мембраны 7 мм. Для изготовления мембраны принимаем ленту А7.А.М.0,5П х 300 х РЛ (ГОСТ 1326-97) [6]. При увеличении рабочего давления на 0,1 МПа толщину мембраны необходимо увеличить на 0,5 мм.

Нахожу толщину мембраны для проведения испытаний с забросом средней птицы:

Принимаю толщину мембраны для этого случая 4мм. Применяю ленту А7.А.М.0,5П х 300 х РЛ (ГОСТ 1326-97).

Рассчитываю толщину мембраны для случая заброса мелкой птицы:

Для этого случая выбирая толщину мембраны 0,5 мм из ленты А7.А.М.0,5П х 300 х РЛ (ГОСТ 1326-97).

Расчёт давления подводимого к поршню ножей необходимого для разрушения взрывной мембраны.

Условие разрушения при работе на срез имеет следующий вид [27]:

;

где F – поперечная сила на одной режущей кромке ножа;

 S – площадь поперечного сечения мембраны на длине режущей кромки;

 max – максимальное касательное напряжение;

[]0.6[]=48 МПа – допускаемое касательное напряжение для алюминиевого сплава А7.

Из последней формулы выражаю поперечную силу и подставляя известную формулу для нахождения площади прямоугольника, получаю:

;

где lH – длина режущей кромки ножа;

 hМ – толщина мембраны.

 

Принимаем необходимое усилие на одной режущей кромке 6 кН. Тогда усилие создаваемое поршнем механизма разрушения взрывной мембран, с учётом того что применяется  два ножа с двумя режущими кромками на каждом, составляет 24 кН.

Давление, которое необходимо подвести к поршню механизма разрушения взрывной мембраны нахожу следующим образом:

;

где FПОРШ – усилие создаваемое поршнем;

 SПОРШ – площадь поршня;

 RПОРШ – радиус поршня.

Для стволов использую стальные бесшовные холодно деформированные трубы Dу=200 мм и Dу=127мм с толщиной стенки 4,5мм и 3 мм соответственно (ГОСТ 8734-75).

В системе разрушения взрывной мембраны установлен электромагнитный нормально закрытый клапан Burkert Type 5404.

В качестве ёмкости со сжатым воздухом принимаю стандартный баллон ёмкостью 12 литров (ТУ 14-3-528-75).

Подбор пневматических амортизаторов.

По формуле приведённой ниже находим энергию, которую необходимо погасить пневмоамортизаторам:

;

где m – суммарная масса пыжа (задаётся методикой проведения испытаний) и тушки птицы;

 - скорость тушки птицы (задаётся методикой проведения испытаний).

В случае проведения испытания по забросу крупной птицы получаем:

.

Максимальная допускаемая энергия, которую способен погасить пневмоамортизатор RBC1007 (SMS Pnevmatic), сотавляет 9800 Дж. С запасом 2 принимаем 8 пневмоамортизаторов данного образца.

В случае проведения испытания по забросу средней птицы получаем:

Принимаем 4 пневмоамортизатора RBC1007 (SMS Pnevmatic).

Размеры  применяемого пневмоамортизатора приведены на рисунке 22.

Рисунок 22 – Размеры пневмоамортизатора.

По приведённому выше техническому заданию была разработана установка.

Установка выполнена стационарной. Основу установки составляет рама, выполненная из швеллеров и уголков. К основанию рамы при помощи болтов крепятся две опоры ствола сварной конструкции. Причём в задней опоре ствол фиксируется от осевого перемещения фланцевым соединением. Также в раме с помощью хомутов закреплены два баллона основной системы и один баллон меньшей ёмкости системы разрушения взрывной мембраны. На срезе ствола по средствам фланцевого соединения закреплено устройство остановки пыжа. Ресивер закрепляется с противоположной стороны ствола также с помощью фланца.  Установка имеет две пневматические системы: основную и систему разрушения взрывной мембраны.

Органы управления и контроля работы установки вынесены на пульт управления. Все управление происходит дистанционно.

Инструкция по эксплуатации

I. Подготовительные работы:

  1.  в зависимости от проводимых испытаний определить тип ствола и давление (см. номограммы, полученные при калибровке) в основной системе установки
  2.  установить ствол (стволы) необходимый для проведения испытания на раму и закрепить его (их) при помощи болтов;
  3.  убедиться в отсутствии в полостях ресивера и стволах посторонних предметов и грязи. В случае обнаружения оных – удалить, протереть;
  4.  Закрепить ресивер (ресиверы) на стволе (стволах) при помощи соответствующих фланцевых соединений, установив мембрану необходимой толщины;
  5.   подсоединить ресивер (ресиверы), использую соответствующие фланцы и трубопроводы, к основным ёмкостям со сжатым воздухом;
  6.  провести замеры, на предмет соответствия контрольных параметров взаимного расположения воздухозаборника двигателя и ствола (стволов). Использовать методику, разработанную для прототипа;
  7.  провести внешний осмотр стенда, проверить целостность монтажей;
  8.  проверить целостность цепи электромагнитного клапана и его страбатывание;
  9.  систему от основных ёмкостей до ресивера испытать на прочность  Р=1,6 МПа с выдержкой 5 минут и на герметичность Р=0,8 МПа  с выдержкой 10 минут, герметичность полная, падение давления на манометрах не допускается. Систему разрушения взрывной мембраны испытать на на прочность  Р=4 МПа с выдержкой 10 минут и на герметичность Р=3 МПа  с выдержкой 5 минут, герметичность полная, падение давления на манометрах не допускается;
  10.  поместить тушку птицы в пыж. Переместить пыж  с тушкой до упора в крайнее заднее положение при помощи шомпола длиной 3 м;
  11.  зарядить основную систему и  систему разрушения взрывной мембраны сжатым воздухом в соответствии с требованиями к проводимыми испытаниями.
  12.  для выполнения выстрела, подать напряжение на электромагнитный клапан в течении 3-5 секунд.

Техническое обслуживание установки

  1.  Очистить элементы установки от пыли, грязи, масла.
  2.  Проверить состояние баллонов и трубопроводов.
  3.  При длительном хранении провести наружную консервацию.
  4.  Согласно требованиям, к сосудам работающим под давлением, баллоны необходимо зарегистрировать в органах Госгортехнадзора.
  5.  Сосуды, работающие под давлением, должны подвергаться техническому освидетельствованию (внутреннему осмотру и гидравлическому испытанию) до пуска в работу и периодически в процессе эксплуатации. Инспекторы госнадзора подвергают сосуды внутреннему осмотру не реже одного раза в четыре года и гидравлическому испытанию не реже одного раза в восемь лет.

Техника безопасности при работе с установкой

  1.  К работе на стенде допускаются лица не моложе 18 лет, твердо усвоившие правила безопасности и ТЭ, приемы оказания первой медицинской помощи пострадавшим, правила пользования средствами пожаротушения.
  2.  Персонал, обслуживающий стенд, должен пройти обучение и инструктаж по ТБ и пожарной безопасности, и все работы на стенде обязан проводить в соответствии с настоящей инструкцией и соответствующей цеховой документацией.
  3.  Проведение работ, связанных с повышенной опасностью, с целью взаимной подстраховки проводить не менее, как двумя работниками.
  4.  Для ликвидации возможных очагов пожара, в помещениях и на территории вблизи рабочих мест должны быть предусмотрены огнетушители.
  5.  Для оказания первой помощи пострадавшим, в легкодоступных местах должны находиться аптечки с набором медикаментов.
  6.  Запрещается устранять неисправности или производить частичную разборку узлов в системах, находящихся под давлением или электрическим напряжением.
  7.  Нахождение людей в районе направления ствола после начала зарядки баллонов системы заброса категорически запрещено.
  8.  Демонтаж испытываемых объектов и других узлов установки разрешается проводить не ранее, чем через 20 минут после окончания испытания.

2.4 Разработка технологии

Спроектированная установка внесла корректировки в технологию проведения специальных испытаний с имитацией попадания птиц Вов входное устройство двигателя.  Изменения, возникшие в содержании и последовательности выполнения операции, представлены в виде технологической карты (см. Приложение 1)


3 Обеспечение безопасности жизнедеятельности при испытаниях ГТД. Обоснование необходимости проведения испытаний на птицестойкость. Обеспечение безопасности проектируемой установки

Обоснование необходимости проведения испытаний двигателей на птицестойкость

Статистика столкновений с птицами летательных аппаратов гражданской авиации показывает, что в 55% столкновений птицы попадают в двигатель. В настоящее время регистрируется до 50 случаев в год попадания птиц в двигатели самолетов ГА. Для оценки возможных повреждений двигателя от попадания птицы или стаи птиц необходимо знать энергию удара, которая определяется массой птицы и скоростью соударения. Птиц различных пород, попадавших в двигатели можно по массе разделить на несколько групп: мелкие (воробьи, ласточки, скворцы) — до 150 г., средние (чайки, голуби, вороны) — 0,4 . .. 0,9 кг, крупные (утки, гуси) — до 2,0 кг, очень крупные (лебеди, орлы) —свыше 2,0 кг. Оценить скорость и направление полета птиц относительно летательного в момент столкновения затруднительно, поэтому энергия удара подсчитывается, исходя из скорости полета. Статистика столкновений показывает, что вероятность столкновения летательного аппарата с птицей массой свыше 2 кг очень мала, хотя такие столкновения приводят, как правило, к катастрофам. Столкновение с птицами происходят, в основном, в зоне аэродрома на взлете, при посадке. Скорости полета самолетов при столкновениях не превышают 400. . . 500 км/ч. Энергия удара крупной птицы массой 1,8 кг при скорости столкновения 450 км/ч (случай вполне вероятный) достигает около 1500 кгс-м.

Для заброса птиц на вход в двигатель испытательный стенд оборудуется устройствами для разгона тушек птиц.

В настоящее время существует множество предприятий с вредными условиями труда. В связи с этим необходимо обращать особое внимание вопросам охраны труда рабочих и служащих, обслуживающих такие процессы.

Основными задачами "Охраны труда" являются:

  1.  снижение травматизма и сохранение здоровья людям;
  2.  совершенствование технологий с учетом опасных и вредных факторов, действующих на людей;
  3.  предотвращение загрязнения окружающей среды.

Одним из таких вредных и опасных процессов является испытание камер сгорания, работающих на природном газе.

В данном проекте проведен анализ производственных опасностей при проведении испытаний двигателя и выработаны мероприятия по снижению их влияния.

Анализ производственных, опасных и вредных факторов при испытании ГТД и мероприятия по снижению их влияния

Основными опасными факторами работы на испытательной станции являются:

  1.  применение горюче-смазочных материалов;
  2.  сильный шум при испытании двигателя;
  3.  наличие электрооборудования;
  4.  работающий двигатель;
  5.  подъемно-транспортные механизмы
  6.  ёмкости со сжатым газом.

Для обеспечения безопасного обслуживания систем контроля и автоматизации, все нормально не токопроводящие части заземлены путем их присоединения к общему контуру заземления.

Заземление выполняется в соответствии с "Правилом устройства электроустановок" и инструкцией СН-102-76.

Работающий стенд - это повышенные температуры, вращающиеся части стенда, газовые и масляные трубопроводы. Обеспечение безопасности персонала достигается конструкцией стенда.

Для обеспечения безопасной работы на подъемно-транспортных механизмах предусмотрена световая сигнализация о наличии работы, работа производится бригадой не менее 2-х человек и наличия у них удостоверения о допуске на работу с подъемно-транспортными механизмами, а также исправным оборудованием кран-балок. Все краны управляются с пола. Обслуживание подъемно-транспортных механизмов производится с площадок, предусмотренных в каждом боксе, зале подготовки, транспортном коридоре. Приводы подъема кран-балок в боксах и зале подготовки имеют, кроме основной скорости, микроскорость - 0.5 м/мин. Уменьшенная скорость обеспечивает плавное опускание груза при установки изделия на стенде. Микроприводная приставка является нестандартным оборудованием и изготавливается по чертежам ВНИИПТМАШа.

Для уменьшения шума на испытательной станции от работающего изделия всасывающая шахта испытательного бокса оснащена шумоглушащими элементами. На выхлопе изделия установлен шумоглушитель выхлопа, боксы и кабины наблюдения облицованы звукоизолирующими материалами; окна, двери и ворота бокса запроектированы в звукоизолирующем исполнении. Для отвода газов в шумоглушитель выхлопа, а так де для снижения температуры в боксе и улучшения условий вентиляции стенд имеет газоотводное устройство. Его применение улучшает условия газоотвода, снижает металлоемкость газоотводного устройства, а так же улучшает вентиляцию помещения за счет подсоса холодного воздуха из бокса. Расстояние от заднего торца стенда до торца эжектора – 500 мм, коэффициент эжекции – 1,3.

Эффективность шумоглушения удовлетворяет нормам СН № 223-85. Допустимые нормы шума определяются расчетами по:

  1.  Методике расчета акустической эффективности выхлопных систем - Альбом 117-434.
  2.  СНиПП 12-17. Защита от шума .

Мероприятия по охране труда при работе на стенде

В целях обеспечения условий труда, исключающих возможность травматизма, профессиональных заболеваний или резкого отклонения организма работающих от нормы, испытательная станция спроектирована в соответствии с указанными нормативными материалами: "Строительных норм и правил" СНиП ПА5-70, СНиП П-92-76; "Санитарных правил при сварке и резке металлов"; "Норм искусственного освещения"; "Правил устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением.; "Правил  пожарной безопасности при устройстве и эксплуатации испытательных станций и лабораторий" Р-1133.

Проектом предусмотрены следующие мероприятия:

  1.  Испытания изделий производятся в изолированных помещениях (боксах), управление испытаниями дистанционное из изолированных кабин наблюдения.
  2.  Строительные конструкции кабин наблюдения отделены от строительных конструкций боксов в целях виброизоляции и звукоизоляции.
  3.  Для оповещения о начале и конце испытаний запроектированы системы световой и звуковой сигнализации. Помещения станции оборудованы громкоговорящими и местными средствами связи. Предусмотрена сигнализация предельных параметров изделия и системы автоматических блокировок.
  4.  Все производственные помещения оборудованы приточно-вытяжной вентиляцией. В помещениях ЭВМ предусматривается кондиционирование воздуха.
  5.  В помещениях боксов и топливных систем, относящихся по пожарной безопасности к категории "А", установлены газоанализаторы с системами световой и звуковой сигнализации о превышении в помещениях концентрации взрывоопасных веществ и автоматического включения аварийной вентиляции.
  6.  Предусмотрены системы централизованной подачи горюче-смазочных жидкостей и природного газа, а также аварийные и технологические сливы керосина в емкости, размещенные вне здания и продувка газовых магистралей воздухом.
  7.  Естественное и искусственное освещение спроектировано согласно действующим нормам.

Техника безопасности при обслуживании двигателя на стенде

При эксплуатации двигателя на стенде или его испытаниях обслуживающий персонал должен строго соблюдать правила технического обслуживания, в которых определены безопасные условия труда.

Монтаж двигателя на стенде должен производиться только исправным инструментом и в строгой последовательности. Качество выполнения каждой операции проверяет бригадир или старший механик. После окончания всего комплекса работ производят общий осмотр двигателя на стенде, во время которого уделяют особое внимание креплению двигателя на станке, контровке основных узлов, закреплению датчиков и их соединению с измерительными приборами, местам подсоединения к двигателю топливной и масляной систем.

Особенно внимательно нужно проверить, нет ли в боксе посторонних предметов, которые не должны находиться там. Входное и выходное сечения двигателя обычно закрывают заглушками, которые перед запуском вынимают. Для того чтобы не забыть вынуть заглушки, их окрашивают в красный цвет или прикрепляют к ним красные флажки.

Непосредственно перед запуском двигателя механик обязан проверить состояние двигателя и его крепления, подключить электрическое питание, открыть шахты, проверить герметичность топливной и масляной систем, исправность противопожарных средств, убедиться в том, что в боксе нет посторонних предметов, и в наличии ограждения опасных зон, проверить правильность положения тумблеров на пульте и исправность управления двигателем.

Обычно порядок осмотра регламентируется специальной инструкцией, в которой учитываются конкретные особенности стенда и двигателя.

Запуск двигателя может производиться только при отсутствии людей в боксе. Процесс запуска и выход двигателя на частоту вращения, соответствующую режиму малого газа, контролируют по приборам.

Если будут обнаружены течи топлива и масла или если давление масла окажется ниже допустимого, если будет наблюдаться резкое падение частоты вращения, резкое возрастание вибраций, превышение температуры газа за турбиной выше допустимой или создадутся другие аварийные ситуации, обусловленные руководством по эксплуатации, то двигатель немедленно останавливают. Повторный запуск разрешается только после обнаружения причины дефекта и его устранения.

Обслуживающий персонал должен соблюдать правила личной гигиены. К работе персонал допускается только в спецодежде, которая должна храниться в металлических шкафах, установленных в раздевалках. При попадании на поверхность тела синтетических масел или топлив необходимо тщательно вымыть это место.

После остановки двигателя перекрывают все магистрали, приводят в исходное положение тумблеры на пульте и отключают питание стенда. Некоторое время после остановки двигателя запрещается входить в бокс во избежание отравления углекислым газом и другими вредными парами. После проветривания бокса закрывают входную и выходную шахты. Уходить со стенда разрешается только после того, как двигатель полностью, остынет.

Техника безопасности при эксплуатации ёмкостей, работающих под давлением

Установки, на которых испытывают двигатель, стационарные воздушные баллоны, предназначенные для питания аэродинамических труб, трубопроводы большого диаметра и другие емкости очень часто работают при повышенных давлениях. Сосуды, работающие под давлением, подвержены опасности разрыва, поэтому если произведение емкости на давление (для неагрессивных и невзрывоопасных сред) больше 9,8*108 л • Па (10000 л • кгс/ см2), то они проходят периодическую проверку. На внешней поверхности сосуда обычно наносят краской его регистрационный номер, срок следующей проверки и рабочее давление.

Установки, включающие в себя элементы, работающие под высоким давлением, как правило, располагают на первом этаже и обеспечивают свободные подходы к ним для осмотра и ремонта.

Для изготовления емкостей, работающих под давлением, применяют только те материалы, которые удовлетворяют требованиям ГОСТа.

Защита от осколков вращающихся частей при авариях и специальных испытаниях двигателей

При авариях двигателя или во время специальных испытаний при определении максимально возможной частоты вращения — разносные режимы, птицестойкости, а также 'при испытаниях двигателя на непробиваемость корпусов происходит разрушение его вращающихся частей. Осколки вращающихся частей разлетаются, обладая большой кинетической энергией. В практике испытаний имели место случаи разрыва диска турбины. Осколки диска, пробив стальной корпус и согнув стальной экран толщиной 20 мм, все еще обладали достаточной энергией для того, чтобы сделать выбоину глубиной 150 мм в бетонной стене. Во избежание попадания осколков в людей - кабины наблюдения защищают толстой железобетонной стеной. Окна в кабине наблюдения выполнены из бронестекол (органических или специальных силикатных).

Кроме того, для защиты окна кабины наблюдения применя-няют дополнительные бронещиты, выполненные из толстых листов стали (толщиной около 40 мм) или из более тонких листов стали с упругими (резиновыми) прокладками между ними. Схема такого бронещита приведена на рисунке 23.

В ряде случаев применяют экраны, состоящие из нескольких (трех-четырех) слоев стальной плетеной сетки (ГОСТ 5336—67) с ячейкой 15...20 мм. Сверху сетки закреплены на кронштейне, их нижние части скреплены планкой, выполненной из уголкового железа; под действием силы тяжести планки сетка натягивается. Опыт показывает, что экран из сетки надежно предохраняет людей от осколков и дает возможность сохранить хорошей обзор.

1—бронестекла кабины наблюдения; 2—откатной  бронещит с прорезями; 3—трос механизма передвижения бронещита

Рисунок23 - Схема бронещита для защиты окна кабины наблюдения:

При проектировании новых испытательных стендов все же не рекомендуется размещать смотровые окна в плоскости вращения ротора двигателя.

Система пожаротушения

Система пожаротушения стенда подразделяется на две системы.

  1.  Система пожаротушения технических помещений.
  2.  Система пожаротушения служебно-бытовых помещений.

Система пожаротушения технических помещений состоит из пенольной установки, которая предназначена для ликвидации пожара в боксах, в помещениях маслокомнаты, маслосистем, топливных систем, кабельной шахте.

В каждом боксе установлено по восемь пеногенераторов ГВП-600, в помещении топливосистем три пеногенератора ГВП-600, два в маслокомнате, один в кабельной шахте. В каждом боксе установлены по одному пеногенератору ГВП-600 переносного типа. Ликвидация пожара осуществляется при помощи заполнения помещений пеной, образуемой при разбрызгивании ПО-1 (тинол) с водой. Для тушения электрооборудования в кабине управления применяют углекислотные огнетушители типа ОУ-5 и ОУ-6. Для служебно-бытовых помещений применяется установка газового пожаротушения, состоящая из двух батарей типа Т-2МА, распределительного устройства. Работа установки происходит следующим образом. В автоматическом режиме, по команде датчика ДПС-038 или ИДФ-1М, работающего в комплексе с исполнительными органами типа ПИО-017 или ППКУ-1м, пожарной сигнализацией, подключенного ко вторичному прибору, происходит подрыв пиропатронов на головках баллонов с рабочим запасом газа. После того, как пиропатрон на баллоне подорван, сразу же происходит подрыв патрона на распределительном устройстве и газ поступает по трубопроводу в защищаемое помещение.

Выпуск резервного запаса газа осуществляется только вручную от кнопок, расположенных у входов в защищаемые помещения.

Санитарная характеристика помещений

Таблица 17 – Санитарная характеристика помещений.

Показатели

Размерность

Числовое значение

Примечание

Оптимальная температура:

в холодный период года

в теплый период года

0С

17-22

20-25

СН 245-80

Относительная влажность:

оптимальная

допустимая

%

75

55

СН 245-80

Допустимая скорость движения воздуха:

в холодный период года

в теплый период года

м/с

0.3

СНиП II-33-75

Нормируемая освещенность общего плюс местного освещения

газоразрядные

Лк

пульт

300

Бокс

400

Предельно допустимая концентрация вредных паров, газов или пыли

мг/м3

300

СНиП II-33-75

Допустимый уровень шума

Дб

80

Нормируемая кубатура на одного производственного рабочего

м3

15

СНиП II-90-81

Допустимая площадь на одного производственного рабочего

м2

4.5

СНиП II-90-81

Все показатели санитарного состояния стенда отвечают действующим нормам и стандартам и поддерживаются в пределах норм согласно имеющимся инструкциям.

Противопожарная характеристика помещений

Таблица 18 – Противопожарная характеристика помещений.

Показатели

Числовое значение

Категория производства по степени пожарной опасности

А;В;Б

Степень огнестойкости здания

I

Наименьшая суммарная ширина проходов для эвакуации людей

1 м

Число пожарных кранов

4

Количество огнетушителей ОХП-10

12

Количество огнетушителей ОУ-5

8

Специальные системы и  средства пожаротушения

пенное пожаротушение ГВП-600

Противопожарная характеристика стенда соответствует ГОСТ 12.1.004-76 ССБТ. Пожарная безопасность. Общие требования. Пожарная безопасность контролируется службой завода.

Обеспечение безопасности проектируемой установки

 Основным опасным фактором при работе на проектируемой установке является энергия сжатого воздуха. Давление воздуха в системе составляет 8 атм. В ходе проектирования был произведён расчёт ёмкости находящейся под давлением на прочность, в результате получены результаты подтверждающие безопасную работу установки. Для исключения превышения расчётного рабочего давления в системе установлен предохранительный клапан.

После изготовления на установке выполняется процедура опресовки керосином с давлением 16 атм. После получении положительных результатов опресовки составляется акт приёмки и установка допускается к эксплуатации.


4 Технико-экономическое обоснование модернизации пневматической пушки

В этом разделе необходимо рассчитать экономический эффект проектируемой установки и срок её окупаемости. Для этого необходимо рассчитать:

  1.  Ожидаемую экономическую выгоду от внедрения установки (достигается за счёт сокращения трудоёмкости проведения специальных испытаний и возможности её применения для испытаний создаваемых двигателей).
  2.  Затраты на изготовление установки. Это затраты на:
  3.  сборочные агрегаты и комплектующие изделия;
  4.  используемые материалы;
  5.  работы по сборке и монтажу установки;
  6.  затрачиваемую электроэнергию при изготовлении;
  7.  заработную плату рабочих (монтажник, сварщик);
  8.  цеховые расходы;
  9.  амортизацию приспособлений (сварочного оборудования).
  10.  Затраты эксплуатацию проектируемой установки. Это затраты на:
  11.  заработную плату рабочего, эксплуатирующего установку;
  12.  начисления на заработную плату;
  13.  цеховые расходы;
  14.  на амортизацию установки;
  15.  затраты на расходные материалы необходимые для работы установки.

Рассмотрим вышеуказанное более детально.

1. Затраты на изготовление установки

 

Себестоимость изготовления установки:

где   М-затраты на материалы;

       М- затраты на комплектующие изделия;

       Р-затраты электроэнергии на изготовление;

       ЦР- цеховые расходы;

       ЗП – заработная плата;

       С- затраты на монтаж агрегатов;

       М- начисления на заработную плату;

       Р- затраты на амортизацию оборудования;

       ПР- прочие расходы.

Лист Ст45 толщиной 15 мм (2 квадратных метра):

руб.

Краска:

руб.

Трубопровод Д1 12х1х3000 ГОСТ 18475-82.

руб.

Труба 200х4,5х3000 ГОСТ 8734-75

руб

Труба 127х3х6000 ГОСТ 8734-75

руб

Лента А7.А.М.0,5Пх300 РЛ

руб

Суммарные затраты на материалы:

руб.

Затраты на комплектующие изделия

Таблица 19 - Цена на комплектующие изделия

Наименование агрегата, изделия

Количество

Стоимость

Цена

1

2

3

4

1. Баллон стальной среднего объёма для газов на РР≤19,6 МПа

1

500

500

2. Пневмоамортизатор SMS Type RBC1007

8

875

7000

3. Электромагнитный клапан Burkert Type 5404

1

1350

1350

Итого:

8850

Суммарные затраты на готовые изделия:

руб.

Кап. затраты на установку = руб.

Затраты энергии на изготовление установки.

При изготовлении установки выполняется следующий объём сварочных работ. Сварную конструкцию имеют стволы. Суммарная длина швов 2,5 м. Принимаем среднюю производительность работ при сварке 80 м/ч. Мощность сварочного аппарата 6800 кВт/ч.

    Затраты технологической энергии:

                                                Рэ= Нэ Цэ,

где     Нэ – норма расхода энергии данного вида на единицу продукции;

          Цэ – стоимость единицы энергии.

Нэ =68002,5/80212,5 кВт;

Рэ=212,51,15=244,37 руб.

Затраты на монтаж узлов:

                          См= 1.45Сч КтарQ КврN,

где     Сч – часовая ставка рабочего;

          Ктар – тарифный коэффициент;

          Q – количество нормочасов;

          Квр – коэффициент вредности;

          N – количество рабочих;

         1.45 – коэффициент, учитывающий размеры премии.

См= 1.4520,1841.3521.1 3=260,8 руб.

Цеховые расходы:

ЦР=4.5(См+ Мзр)=4.5 (260,8+93,09)= 1592,5 руб.

Начисления на заработную плату:

Мзр=0.357 См=0,357260,8=93,09 руб.

Накладные расходы:

НР= См=260,8 руб.

Затраты на амортизацию приспособлений:

Рам=0.22 Спр;

где   Спр – первоначальная стоимость приспособления.

Рам=0.2220000=4400 руб.

Прочие затраты:

ПР=0.6(См+ Мзр)=0.6(260,8+93,09)=212,3 руб.

Затраты на изготовление с учетом капитальных вложений:

С=1.15 (2331+8850+244,37+260,8+1592,5+93,09+260,8+4400+212,3) =20981,6 руб.

2. Затраты на эксплуатацию установки.

Расчёт затрат провожу на один цикл испытаний, который минимально включает 3 выстрела из пневмопушки (заброс крупной, средней и мелкой птицы).

Затраты на сжатый воздух:

Зв = 3 200  = 600 руб;

Затраты на материал и изготовление взрывных мембран. С учётом того, что для заброса крупной птицы необходима одна мембрана себестоимостью 348 р., для заброса средних птиц – две мембраны по 200 р. Каждая и для заброса мелких птиц необходимо 2 мембраны по 25 р., получаю:

ЗМ=348+2*200+2*25=798 р.  

Заработная плата:

ЗП=1.45 Сч КтарQ,

где   Сч – тарифная ставка работающего;

         Ктар – тарифный коэффициент;

         Q –время работы установки при испытаниях, ч;

        1.45 – коэффициент, учитывающий размеры премии.

ЗП= 1,45*20,184*1,35*3=118,5 руб.

Начисления на заработную плату:

руб.   

Цеховые расходы:

руб.

Затраты на амортизацию и содержание стенда:

руб.      

Затраты на эксплуатацию стенда:

руб.

Общие затраты:

руб

3. Расчет экономического эффекта и срока окупаемости проектируемой установки

В связи с тем, что проектируемая установка позволит экономить 3 н.ч. при каждом цикле испытаний, а так же данная пневмопушка позволяет избежать расходов связанных с созданием новой установки для испытаний вновь созданного двигателя, можно рассчитать экономический эффект от внедрения данной установки.

И так, если принять срок окупаемости 4 года и стоимость создания новой пневмопушки старого образца 30000 рублей, то годовой экономический эффект можно можно определить следующим образом:

Учитывая то, что экономия средств от снижения трудоёмкости составляет 457,4 руб., можно рассчитать количество циклов испытаний которое необходимо проводить с использованием данной установки ежегодно для того, что бы установка окупилась в нормативные 4 года:

;

где Ток. – срок окупаемости установки;

Зтр – дополнительный экономический эффект от снижения трудоёмкости, возникающий при использовании  модернизированной пневмопушки.

Вывод: в результате проведенных расчетов было выяснено, что внедрение проектируемой установки для проведения специальных испытаний двигателя экономически выгодно предприятию при проведении 3 циклов испытаний с имитацией попадания птиц в двигатель в год. Экономический эффект от внедрения стенда составит 1984 руб.


5 Патентные исследования

Патентные исследования являются основой творческого процесса при решении научно-технических  задач и разработке объектов новой техники.

В данном дипломном проекте была разработана пневматическая пушка для заброса птиц при проведении специальных испытаний с имитацией попадания птиц во входное устройство двигателя. Перед началом конструирования были проведены патентные исследования, цель которых заключается в анализе способов метания и заброса различных предметов.

В процессе поиска были выявлены технические решения, представляющие интерес для разработанного стенда. С ведения  об аналогичных разработках сведены в таблицу 20

Таблица 20 - Патентная документация, отобранная в процессе поиска.

Предмет поиска (объект, его составные части)

Страна выдачи, вид и номер охранного документа, классификационный индекс

Заявитель с указанием страны, номер заявки, даты приоритета и публикации

Сущность заявленного технического решения и цели его создания

1

2

3

4

Метательная установка для исследования отражающих способностей рабочих лопаток осевого

Россия.

Пат.№95107791,

МПК G01M15/00

Иркутское высшее военное авиационное инженерное училище, Гайнатуллин М.М., Евдокимов А.И, Кузин П.К, №95107791/06, от 1995.05.15,

1997.01.20

Изобретение относится к исследованию физических свойств материалов, а конкретно к исследованию отражающей способности рабочей лопатки осевого компрессора газотурбинного двигателя при соударении с посторонним предметом (частицей). Целью изобретения является экспериментальное исследование процесса соударения частицы с рабочей лопаткой с учетом напряженно-деформированного состояния ее от действия центробежных сил вращающегося ротора осевого компрессора. Характерным признаком данной установки является наличие растягивающего устройства, позволяющего имитировать действие центробежных сил на рабочую лопатку осевого компрессора. Данная экспериментальная установка позволяет проводить исследования процесса соударения частицы с рабочей лопаткой осевого компрессора с имитацией воздействия на нее центробежных сил вращающегося ротора. Усилие растяжения рабочей лопатки составляет до 40 КН.

Продолжение таблицы 20

1

2

3

4

Взрывной трубчатый ускоритель

Россия.

Пат.№ 2243485,

МПК F42B1/02

Афиногенов Ю.А. (RU), Дедов В.В. (RU),

№2003119403/02,

от 2003.06.26,

2004.12.27

Изобретение относится к устройствам для высокоскоростного метания твердых тел, в частности, кумулятивным взрывом. Сущность изобретения заключается в том, что ствол выполнен с внутренним осевым цилиндрическим каналом ступенчатой формы, числом ступеней не менее трех, причем диаметры ступеней постепенно увеличиваются к выходному краю ствола. Реализация изобретения позволяет повысить скорость метания и снизить вес заряда ВВ по отношению к весу метаемого тела.

Устройство для метания подкалиберного элемента

Россия.

Пат. №2176369,

МПК F41A21/46

Министерство Российской Федерации по атомной энергии, №99123084/02, от 1999.11.02,

2001.11.27

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к исследованиям высокоскоростного взаимодействия тел. Устройство для метания подкалиберного элемента содержит ствол с закрепленным на нем надульником в виде втулки и поддон из полимерного материала, выполненный с возможностью установки в него подкалиберного элемента. На передней торцевой поверхности поддона выполнена осевая выемка, глубина которой выбрана из условия расположения меньшего основания конуса опорного кольца подкалиберного элемента над торцевой поверхностью поддона. Внутренний осевой канал надульника выполнен ступенчатой формы, при этом диаметр прилегающей к дульному срезу ствола входной части внутреннего канала больше калибра ствола, а диаметр выходной части канала больше диаметра входной части канала, прилегающей к дульному срезу. В выходной части канала установлено с возможностью перемещения в направлении движения подкалиберного элемента отсечное кольцо, соединенное с надульником разрушаемой связью, причем внутренний диаметр отсечного кольца меньше диаметра поддона, но больше диаметра ударника подкалиберного элемента. Технический результат от реализации вышеуказанных устройств - повышение скорости метания.

Окончание таблицы 20

1

2

3

4

Стреляющее устройство

Россия.

Пат.№ 1099688,

МПК F41B5/00

Бойко А.Н. (SU), №3434851/23,

от 1982.05.04,

1999.06.10

Стреляющее устройство, содержащее корпус, ствол, в котором подвижно установлен толкатель, метающий предмет, спусковой механизм и тетиву, которая серединой соединена с толкателем, а концами связана через упруго деформируемые элементы с корпусом, отличающееся тем, что, с целью повышения начальной скорости метания предмета при снижении поперечных габаритов устройства путем увеличения скорости редеформации тетивы, в нем корпус снабжен траверсой, подвижно установленной в направляющей, которая выполнена в корпусе, и силовым цилиндром, закрепленным в корпусе и имеющим тянущий подпружиненный шток, соединенный с траверсой, и замок штока, кинематически связанный со спусковым механизмом, причем каждый упруго деформируемый элемент выполнен в виде тяги, установленной вдоль ствола, соединенной передним концом с корпусом и задним концом с траверсой, а серединой с одним из концов тетивы, при этом толкатель снабжен свободно надетой на него пружиной растяжения, установленной между стволом и тетивой.

Анализ технических решений по метанию и забросу различных предметов представленных в таблице 20, не выявил решений аналогичных установке представленной в дипломном проекте.


6 Анализ резонансных характеристик быстроходных, облегчённых, тяжелонагруженных зубчатых передач

Резонанс зубчатых колес является одной из наиболее частых причин разрушений зубчатых передач и приводит к серьезным последствиям. Так как зубчатое колесо передачи разрушается с отделением крупных кусков обода, то последующие повреждения носят обширный характер, особенно при высоких частотах вращения. В связи с этим при проектировании и доводке редукторов современных ТВД проблема наличия в рабочем диапазоне частот вращения резонансов является очень актуальной.

Поэтому выявление возможных резонансов необходимо для предотвращения возможных разрушений. После выявления резонансных частот зубчатое колесо можно переконструировать так, чтобы частоты его собственных колебаний не совпадали с частотами вынужденных колебаний.

Резонансные явления в напряженных, быстроходных зубчатых передачах могут привести к повышенным циклическим напряжениям и значительному снижению усталостной долговечности колес. Ввиду катастрофической природы отказа резонанс как истинную его причину не всегда удается обнаружить, и в качестве средства борьбы с разрушением применяется общее укрепление соответствующих деталей. Часто, в этом случае, проблема оказывается решенной, так как резонансные частоты изменяются, но реализованная конструкция оказывается более тяжелой, громоздкой и дорогостоящей, чем это необходимо. Если же на этапе проектирования и доводки удается обнаружить резонанс и исключить его, то конструкция получается более эффективной по стоимости и массе.

Резонансные колебания в механических системах, в том числе и в зубчатых передачах, возникают при совпадении частоты возбуждающей силы с одной из собственных частот системы. Следовательно, изначально необходимо исследовать спектр собственных частот и форм колебания системы.

Частоты собственных колебаний зубчатых колёс.

Следует отметить, что зубчатые колёса имеют плотный спектр собственных частот и форм колебаний. Из общей теории колебаний следует, что для дисковых конструкций присущи как чисто диаметральные и зонтичные, так и смешанные формы собственных колебаний с одним или несколькими узловыми диаметрами или окружностями соответственно. Это положение характерно и для реальных зубчатых колёс. Некоторые формы характерные для дисковых систем показаны на рисунке 24 и 25.

а –зонтичная; б – осесимметричная; в – веерная; г – сложные формы

Рисунок 24 – Характерные формы колебаний дисковых конструкций

Рисунок 25 – Примерный вид некоторых собственных форм колебания зубчатых колёс.

Каждой собственной форме колебаний соответствует собственная частота колебаний. Соответствие между собой собственных форм и частот колебаний хорошо иллюстрируется частотной диаграммой (см. рисунок 26). На которой по оси абсцисс откладывается число узловых диаметров. По оси ординат – собственные частоты колебания колеса.

Рисунок 26 – Примерный вид частотной характеристики зубчатых колёс

Наличие большого числа форм колебаний (диаметральных, зонтичных и смешанных) определяет большое число собственных частот. Как следует из рисунка 3, спектр собственных частот колебаний такого типа конструкций очень плотный.

Задача оценки резонансных свойств конкретного зубчатого колеса может быть решена экспериментально или теоретически.

Экспериментальные методы дают очень точно частоты и формы колебаний, но требуют наличия готовой материальной части или, по крайней мере, без химико-термической обработки. Это обстоятельство ограничивает возможность исправления каких-либо выявленных недостатков и требует значительных трудозатрат.

Теоретические методы (метод конечных элементов, эмпирические способы) позволяют вносить в конструкцию зубчатого колеса изменения еще на этапе проектирования, что позволяет сэкономить время и ресурсы.

Оба метода позволяют найти собственные частоты и формы колебаний, однако уровень возбуждения можно определить только с помощью тензометрирования в натурных испытаниях реального редуктора, что является сложной и дорогостоящей задачей.

Для определения резонансных частот вращения при изгибных вибрациях колес необходимо в первую очередь знать частоты собственных колебаний и их формы, для конических колес — в осевом направлении, для цилиндрических — в радиальном. В настоящее время расчётные методы определения собственных форм и частот весьма развиты [19]. Основными являются метод Ритца, Бубнова-Галеркина, а так же в последнее время приобрёл особую актуальность метод конечных элементов.

Найденные аналитическими методами частоты собственных колебаний колес могут быть использованы для предварительного определения резонансных режимов работы на этапе проектирования.

Точно частоты собственных колебаний колес и их формы определяются экспериментально. Далее я коротко рассмотрю имеющиеся экспериментальные методы определения собственных частот колебаний.

Испытание на удар.

Данный метод позволяет определить частоты собственных колебаний, но не дает представления об их форме. Простое наличие резонанса еще не свидетельствует о возможности отказа. Чтобы оценить потенциальную опасность каждой частоты, необходимо определить соответствующие формы колебаний. Умеренные формы колебаний в относительно слабо нагруженных сечениях зубчатого колеса особого значения не имеют. В то же время особо активные формы, распространяющиеся на высоконагруженную область (например, впадины зубчатых колес), могут вызывать сильные разрушения.

Испытание на вибростенде.

Допустим, зубчатое колесо в составе блока зубчатых колес испытывается на пьезоэлектрическом вибростенде в диапазоне частот 1000...20000 Гц с использованием метода Хладни (метод песчаных форм). Эскиз закрепления блока на динамике представлен на рисунке 27.

Рисунок 27 – Эскиз закрепления зубчатого колеса в составе блока на динамике высокочастотного вибростенда.

Данный метод не всегда позволяет определить форму колебаний, так как энергии вибростенда может не хватить для того, чтобы «раскачать» зубчатое колесо для получения четкого результата. Результаты испытаний показаны на рисунке 28.

Рисунок 28 – Формы собственных колебаний зубчатого колеса, полученные на вибростенде м использованием метода песчаных форм.

Голографические испытания

Другой метод экспериментального определения частот собственных колебаний колес и их форм, широко применяемый в последнее время, состоит в голографической интерферометрии. При этом колесо возбуждается в точке на ободе колеса вибратором или пьезодатчиком от генератора звуковой частоты. Следя по экрану катодного осциллографа, настраивают частоту возбуждения на резонансную и далее в лучах лазера, направленных на колесо, фотографируют формы колебаний колеса. Наглядность форм колебаний и широкий диапазон исследуемых частот является преимуществам голографического метода. Пример результатов полученных  при голографическом испытании приведён на рисунке 29.

Рисунок 30 – Формы собственных колебаний зубчатого колеса по результатам голографических испытаний.

Вибрографирование и тензометрирование в составе изделия

Наличие резонансных явлений можно обнаружить путём вибрографирования и тензометрирования.

Погрешность шагов зацепления пары зубчатых колес приводит к появлению в системе возмущающей силы, действующей с зубцовой частотой. При вибрографировании фиксируется амплитуда виброперегрузки, соответствующая зубчатой частоте и обусловленная погрешностью кинематики зацепления. При совпадении зубцовой частоты (возмущающей силы) с частотой собственных колебаний зубчатого колеса проявляется резонанс, который приводит к резкому ухудшению кинематики зацепления и увеличению амплитуды виброперегрузки. Резонансы обычно лежат в очень узкой области (20...50 Гц). Таким образом, резонансные частоты (частоты собственных колебаний) четко выявляются. В качестве примера можно привести запись сигнала производится на магнитограф с вибродатчика АВС-032 в диапазоне частот 100...20000 Гц. Датчик устанавливается на корпус редуктора. После этого записанный сигнал обрабатывается. Характерный спектр частот приведен на рисунке 31.

Рисунок 32 – Характерный спектр частот зубчатого колеса.

Одновременно с вибрографированием проводится тензометрирование зубчатого колеса. Тензорезисторы с базой 5 мм наклеиваются на обод и диафрагму зубчатого колеса в секторе  80° (рисунок 33).

Рисунок 33 – Эскиз наклейки тензометров на зубчатое колесо

Запись сигнала производится на магнитограф в определённом диапазоне частот. Далее записанный сигнал обрабатывается.

После того как найдены частоты и формы собственных  колебаний системы необходимо провести анализ частот возбуждающих сил.

Частотный состав возбуждающих сил в зубчатых передачах

По вибрациям, возбуждаемым редукторами и зубчатыми передачами можно оценить частотный состав возбуждающих сил действующих на элементы зубчатых передач.

Вибрация этого вида имеет плотный дискретный спектр с относительно большой интенсивностью некоторых составляющих (30— 40 мм/с, 100 g и более). Спектр при амплитудно-импульсной времяимпульсной модуляции произвольного вида представлен на рисунке 34. На рисунке видно что в спектре присутствуют модуляционные составляющие заполняющие всю частотную ось. Амплитуды их примерно на порядок меньше,чем у основных возбуждающих частот гармоники. Пунктиром показано на сколько уменьшаются амплитуды основных модуляционных составляющих при модуляции импульсов произвольного вида.

Рисунок 34 – Спектр при амплитудно-импульсной и времяимпульсной модуляции произвольного вида

Вибрацию рассматривают в вибродиагностике как диагностический сигнал, несущий информацию о динамических нагрузках, вызывающих опасные колебания различных элементов двигателя и редуктора, и как сигнал, непосредственно •характеризующий состояние редукторов и зубчатых передач.

Вибрации и шум, генерируемые зубчатыми передачами, вызываются кинематическим, импульсным и параметрическими возбуждениями, а также неуравновешенностью вращающихся масс. Кинематическое возбуждение связано с погрешностями изготовления; импульсное возбуждение имеет место при взаимодействии зубьев на входе в зацепление; параметрическое возбуждение связано с переменной жесткостью зацепления. Импульсное и кинематическое возбуждения вызывают вибрацию с частотой зацепления зубьев fz=zfB, где fB - частота вращения зубчатого колеса, z - число зубьев. Эта вибрация несинусоидальная, поэтому в спектре присутствует несколько гармоник этой частоты. Кинематическое возбуждение, кроме того, вызывает колебания с частотами проявления погрешностей, являющихся результатом сложения спектров погрешностей каждого из взаимодействующих колес и спектра погрешностей их сопряжения с учетом деформации от передаваемой нагрузки. Спектр возбуждаемой вибрации соответствует спектру погрешностей по частоте и амплитуде.

В зубчатых передачах силы, вызывающие указанные вибрации, направлены по линии зацепления.

Неуравновешенность быстровращающихся зубчатых колес возбуждает вибрацию с частотой их вращения.

Зубчатые передачи ГТД и главных вертолетных редукторов изготавливают с повышенной точностью и работают они с высокими нагрузками и скоростями. Эти передачи в основном работают как точные под нагрузкой — у них деформация зубьев от нагрузки превышает погрешности изготовления. Зубчатые передачи некоторых приводов агрегатов ГТД могут быть неточными под нагрузкой. Спектр вибрации, возбуждаемой передачей, точной под нагрузкой, дискретный; в нем наиболее интенсивна составляющая с частотой fz. Спектр вибраций, возбуждаемых зубчатой передачей, неточной под нагрузкой, сплошной с размытыми максимумами. Интенсивность вибраций, возбуждаемых зубчатыми передачами, возрастает с увеличением передаваемой нагрузки и скорости вращения.

Для передач неточных под нагрузкой известно, что с величиной погреш ности зацепления линейно связаны параметры спектра огибающей вибрации корпуса передачи и автокорреляционной функции огибающей.

В спектрах вибраций передач, точных под нагрузкой, основны ми информационными частотами, характеризующими состояние передачи, являются частота fz и частоты nfz, где п = 2, 3 и т. д., а также комбинационные частоты f=fz±kfв, где k - целое число: характеризующее амплитудную модуляцию колебаний с частотой зацепления. Диагностическими признаками степени износа зубьев передачи могут служить уровень спектральной составляющей частотой fz, амплитуда импульсов, следующих с частотой fz и т. п.

При значительном искажении профиля одного из взаимодействующих зубьев, вырове зуба и т. д.: резко увеличивается глубину амплитудной модуляции вибрации с частотой зацепления. Частоты дискретных составляющих спектра, характеризующих эту модуляцию, fZ±fB. 

Следует иметь в виду, что хорошо возбуждаемые формы колебаний в некоторых колесах «привязаны» к ним, т. е. при возбуждении вибратором формы колебаний колеса в пучности амплитуда резонансных вибраций достигает максимальной величины, а при возбуждении колеса на той же частоте в узле той же формы колебаний амплитуда вибраций может быть существенно меньше. Это вызвано тем, что положение такой формы соответствует изменению жесткости по окружности колеса, вызываемой его асимметрией. При наличии асимметрии колеса имеются две ортогональные формы его колебаний, смещенные по окружности на угол /(2i) и имеющие одинаковое число узловых диаметров, но разные собственные частоты.

Обычно зубчатые колеса выполняются с высокой точностью, асимметрия их невелика и разностью собственных частот можно пренебречь. Наличие асимметрии и раздвоения собственных частот по ортогональным формам не влияет на приведенную выше методику определения резонансных частот вращения колеса в рабочих условиях.

После получения собственных частот колебания зубчатого колеса и возбуждающих частот строится резонансная диаграмма, которая дает наглядное представление о границе существования резонансных частот вращения колеса. По оси абсцисс откладывается частота вращения колеса. По оси ординат частота колебаний колеса. Из начала координат строятся лучи, представляющие собой геометрическое место частот, соответствующие гармоникам kz±i частоты вращения колеса. Для колеса с числом зубьев z для каждой формы колебаний i и зубцовой гармоники k строятся два луча, соответствующие вперед и назад бегущим возбужденным волнам деформаций. Резонансные частоты вращения колеса на резонансной диаграмме определяются пересечением линии собственных частот fi и соответствующих лучей гармоник возбуждения. Построенные графики более удобны при исследовании областей резонансных частот вращения колеса, а также при исследовании возможности отстройки колеса от резонансных частот и являются результатом исследований и расчетов вибраций зубчатых колес.

Анализ возможности появления резонанса ведущей шестерни привода агрегатов двигателя Сатурн РД-600В

В разделе 1.2.3 рассмотрев разрушение ведущей шестерни 8706000009, было сделано предположение о резонансном характере колебания данного зубчатого колеса. Поэтому ниже проанализирую возможность появления резонансных колебаний данного зубчатого колеса. Конструктивно исследуемая шестерня представляет собой зубчатый венец установленный на валу с помощью штифтов и резьбовых заглушек. Как показали расчёты при работе колесо теряет натяг с валом, т.е. с точки зрения колебаний его можно рассматривать как кольцо. В [1] приведена расчётная формула для расчёта собственных частот колебания для подобного типа колёс.

Для определения частот собственных колебаний стальных цилиндрических зубчатых колес при колебании их по формам с n узловыми диаметрами существует формула [1]:

;

где ;

 ;

da - диаметр вершин зубьев колеса;

df - диаметр впадин зубьев колеса;

Е - модуль продольной упругости;

м - плотность материала колеса;

- коэффициент Пуассона;

R2 - внутренний радиус обода

u – передаточное число;

- отношение ширины зубчатого венца к ширине диафрагмы

n – число узловых диаметров.

 

Модуль упругости материала шестерни E=2,1105 МПа. Плотность материала зубчатого колеса м=7850 кг/м3. Коэффициент Пуассона =0,28. Передаточное отношение нахожу по формуле u=zсопр/z = 35/18=1,94, где zсопр =35 – число зубьев сопрягаемой шестерни; z =18 – число зубьев рассматриваемой шестерни. Для рассматриваемой шестерни коэффициент =1 [1]. С чертежа необходимые геометрические размеры: da=0.04 м; df=0.03128 м; R2=0,012 м. Далее по выше приведенным формулам рассчитываю:

;

.

Далее по указанной выше формуле рассчитываю собственные частоты колебания зубчатого венца с числом узловых диаметров n=2, 3, 4:

После этого рассчитываю для различных частот вращения ротора частоту возбуждающей силы по формуле [1]:

;

где k – гармоника возбуждения;

 z =18 – число зубьев исследуемой шестерни;

 I – число упругих волн деформации на колесе;

 nТК – обороты ротора турбокомпрессора, об/мин;

 u1=1,6 – передаточное число ступени редукции между рассматриваемой ступенью и ротором турбокомпрессора.

Зная кинематику привода агрегатов и режимы работы двигателя можно рассчитать частоты возбуждающих сил на различных режимах. Результаты расчётов сведены в таблицу 21.


nтк, об/мин

fвр,

об/мин

fвр,

Гц

fв, Гц (k=1)

fв, Гц (k=2)

fв, Гц (z-1)

fв, Гц (z-2)

fв, Гц (z-3)

fв, Гц (z+1)

fв, Гц (z+2)

fв, Гц (z+3)

fв, Гц (2z-1)

fв, Гц (2z-2)

fв, Гц (2z-3)

fв, Гц (2z+1)

fв, Гц (2z+2)

fв, Гц (2z+3)

fв, Гц (3z)

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

4800

3000

50

900

1800

850

800

750

950

1000

1050

1750

1700

1650

1850

1900

1950

2700

9600

6000

100

1800

3600

1700

1600

1500

1900

2000

2100

3500

3400

3300

3700

3800

3900

5400

14400

9000

150

2700

5400

2550

2400

2250

2850

3000

3150

5250

5100

4950

5550

5700

5850

8100

19200

12000

200

3600

7200

3400

3200

3000

3800

4000

4200

7000

6800

6600

7400

7600

7800

10800

24000

15000

250

4500

9000

4250

4000

3750

4750

5000

5250

8750

8500

8250

9250

9500

9750

13500

28800

18000

300

5400

10800

5100

4800

4500

5700

6000

6300

10500

10200

9900

11100

11400

11700

16200

33600

21000

350

6300

12600

5950

5600

5250

6650

7000

7350

12250

11900

11550

12950

13300

13650

18900

38400

24000

400

7200

14400

6800

6400

6000

7600

8000

8400

14000

13600

13200

14800

15200

15600

21600

43200

27000

450

8100

16200

7650

7200

6750

8550

9000

9450

15750

15300

14850

16650

17100

17550

24300

48000

30000

500

9000

18000

8500

8000

7500

9500

10000

10500

17500

17000

16500

18500

19000

19500

27000

Таблица 21 – Результаты расчёта частоты возбуждающей силы


По полученным данным строю резонансную диаграмму. Для удобства определения режима работы двигателя по оси абсцисс отложена частота вращения ротора турбокомпрессора.

Резонансная диаграмма для исследуемого зубчатого колеса приведена на рисунке 35.

На частотной диаграмме видно, что на режиме малого газа собственная частота колебания шестерни с тремя узловыми диаметрами f3=5842 Гц совпадает с вторичными частотами первой гармоники. Так же основная возбуждающая частота первой зубцовой гармоники находится в непосредственно близости к указанной собственной частоте, а т.к. применяемый метод определения собственной частоты колебания исследуемой шестерни достаточно приближённый, то можно предполагать, что основная частота попадает в зону резонанса.  Резонансные колебания с тремя узловыми диаметрами обьясняются тем, что резьбовые заглушки и штифты расположены в трёх диаметральных плоскостях, что можно видеть на конечно элементной модели (рисунок 12). Вторичные возбуждающие частоты гармоник в спектре исследуемой шестерни обязательно будут присутствовать, так как уже отмечалось раньше, они возникают при неточностях изготовления и монтажа зубчатых колёс, а в разделе 1.2.3 было указано, что имеются доказательства работы шестерни с большим перекосом.

Для того, что бы определить коэффициент динамичности  для полученной выше резонансной частоты, построю график зависимости =f(), где =fтек/fi. Коэффициент динамичности показывает, во сколько раз амплитуда вынужденных колебаний больше статического перемещения, вызванного максимальным значением вынуждающей силы. Значение коэффициента динамичности определяется по формуле:

где Q – добротность для материала исследуемой шестерни.

Для подобного типа зубчатых колёс добротность изменяется в пределах 20…50 [29]. Принимаю значение Q = 30.


Рисунок 35 – Резонансная диаграмма ведущей шестерни привода агрегатов


Результаты расчёта приведены в таблице 22.

Таблица 22 – Результаты расчёта параметров зависимости =f()

0,1

1,0101

0,2

1,0416

0,3

1,0988

0,4

1,1903

0,5

1,3330

0,6

1,5617

0,7

1,9587

0,8

2,7702

0,9

5,1988

1

30,0000

1,1

4,6909

1,2

2,2634

1,3

1,4464

1,4

1,0404

1,5

0,7994

1,6

0,6407

1,7

0,5289

1,8

0,4463

1,8

0,4463

1,9

0,3830

2

0,3333

Внешний вид зависимости =f() приведён на рисунке 36.

Рисунок 36 – График зависимости =f()

Нахожу отношение частот полученных с резонансной диаграммы =fтек/fi =5100/5842=0,87. На рисунке 36 видно, что при таком  коэффициент динамичности примерно равен 4. Следовательно, при работе зубчатого колеса на частоте 5842 Гц (режим малого газа) можно ожидать усиление амплитудных колебаний в 3…4 раза.

Методы увеличения вибрационной прочности

Увеличение (вибрационной прочности зубчатых колес является одной из проблем повышения надежности их работы. Особое значение это имеет для авиационных зубчатых колес в связи с увеличением ресурса работы авиадвигателей. Проблема осложняется тем, что зубчатые колеса при высокой напряженности и высокой скорости вращения имеют малую массу и сложны по конструкции. Увеличение вибрационной прочности, как правило, приводит параллельно к увеличению надежности и долговечности работы зубчатых колес.

Отстройка собственных частот изгибных колебаний колес от опасных резонансных оборотов осуществляется на практике. Эффективность отстройки колеса проверяется тензометоированием его в рабочих условиях. Но отстройка собственных частот не всегда возможна, так как густой спектр резонансных частот не позволяет выйти им за область рабочих частот. Поэтому отстройку нужно производить от наиболее опасных резонансных частот и форм колебаний (в первую очередь от форм с малым числом узловых диаметров и первой гармоники возбуждения зубцовой частоты).

Исследование по отстройке необходимо производить на модельном колесе, изготовленным заведомо с большими толщинами обода и диафрагмы. Постепенно утоняя обод и диафрагму и замеряя частоты и формы колебаний, определяют оптимальную геометрическую форму колеса, при которой отсутствуют резонансные частоты.

Снижение возбуждаемости изгибных вибраций колес осуществляется за счет уменьшения динамических нагрузок от параметрических крутильных колебаний передач и отстройки их от параметрических резонансов.

При большой частоте зацепления, когда, k< 0,5 параметрические колебания передач отсутствуют и динамические нагрузки ниже, чем в нерезонансной области при k>0,5. В этом случае требуется выполнить условие K>2c, т. е. необходимо увеличить частоту зацепления К за счет увеличения чисел зубьев колеса и уменьшения при этом модуля зацепления.

Другое направление отстройки от параметрических колебаний — снижение собственной частоты крутильных колебаний за счет увеличения массы колес или уменьшения крутильной жесткости зубчатых передач.

Увеличение масс колес неприемлемо для авиационных передач. Уменьшение крутильной жесткости колес — амортизация — конструктивно сложно, но по опыту целесообразно. Амортизация производится при разделении обода и диафрагмы колеса и введении податливого элемента между ними, например, упругих втулок. При этом геометрическое положение зубчатого венца относительно оси вращения колеса не нарушается, а равномерность работы зубца по длине увеличивается.

Демпфирование изгибных вибраций колес — широкоизвестный способ уменьшения резонансных напряжений. Частичное демпфирование в зубчатых колесах осуществляется за счет рассеивания энергии колебаний внутри материала колеса, передачи энергии колебаний во внешнюю среду и потери энергии при трении в контакте зацепления с сопряженным колесом, в стыках и местах посадок колес. Для снижения вибраций используют дополнительное устройство — демпфер. Учитывая опыт применения демпферов в машиностроении, следует отметить, что он ограничен вследствие конструктивной сложности демпфера и ненадежности его работы.

Уменьшение динамических сил в зубчатом зацеплении осуществляется за счет снижения возбуждаемости параметрических крутильных колебаний модифицированием профиля зуба по высоте. В этом случае различная жесткость однопарного и двупарного зацепления компенсируется модифицированием головки зуба сопряженных колес. Механизм такого условного выравнивания жесткостей заключается в том, что угловой поворот колеса при статической деформации зубьев в зоне однопарного зацепления равен угловому повороту, определяемому суммой деформации зубьев и глубиной модификации головки зуба сопряженных колес, в зоне двупарного зацепления. Вследствие этого параметры модификации зуба должны выбираться по определенным правилам:

-  модифицированный профиль зуба у головки должен плавно сопрягаться с эвольвентой основного профиля зуба;

-  высота  модификации не должна выходить за пределы зоны двупарного зацепления и определяется по формуле:

;

где g — длина активной линии зацепления (по эвольвентограмме); р —шаг зацепления;

-  допуск на высоту модификации должен укладываться в размере hga;

-  глубина  модификации по нормали к профилю должна  быть принята не более .

Допуск на высоту модификации необходимо принимать ± (0,7... 1,0) мм, а допуск на глубину ±0,005 мм.

Следует иметь в виду, что чрезмерное модифицирование по высоте зуба может привести к обратному эффекту — повышению динамической нагрузки, а превышение по глубине — к уменьшению перекрытия в зацеплении, что также повышает виброактивность передачи. При модификации головки зуба решаются другие важные проблемы — увеличение надежности и долговечности работы зубчатых колес. При входе зубьев в зацепление улучшается образование масляной пленки, вследствие чего повышается противозадирная стойкость, контактная прочность и др.

Уменьшение возбуждаемости крутильных и изгибных вибраций колес происходит за счет увеличения коэффициента перекрытия в зацеплении. При перекрытии в зацеплении, равном целому числу, параметрические крутильные колебания не возбуждаются и уменьшается возбуждаемость изгибных вибраций колес.

Практическое применение передач с перекрытием в зацеплении 2 осуществляется модифицированием исходного контура по высоте зуба с =20° и 18°. Существующий положительный опыт работы таких прямозубых колес как цилиндрических, так и конических показывает на перспективность их применения. Такого же эффекта можно добиться, применяя косозубые или с круговыми зубьями передачи. Повышение перекрытия зацепления до = 2 ведет к повышению изгибной и контактной прочности. Высота и глубина модификации профиля выбираются конструктивно по опыту эксплуатации из условия плавного входа в зацепление зубьев для образования масляной пленки на входе в зацепление.

В конических прямозубых колесах с =2 возможен повышенный отрыв пятна контакта по высоте зуба (при проверке их по краске), особенно если колеса изготовлены плосковершинным способом. В этом случае следует выполнять требование обеспечения симметричного расположения пятна контакта на сопряженных колесах, т. е. одинакового отрыва пятна краски на головках зубьев ведущего и ведомого колесах.

Увеличение кинематической и циклической точности изготовления, а также сборки колес является эффективным способом уменьшения возбуждаемости вибраций передач, что имеет особое значение для конических колес. Сборку их необходимо производить по калибрам, с целью совмещения вершин делительных конусов колес. Для получения необходимых пятна контакта и зазора в зацеплении допускается смещение обоих колес к центру либо от центра передачи на величины, пропорциональные числам зубьев. Этим обеспечивается работа колес с равными модулями (шагами) в зацеплении.

Влияние качества сборки конических колес на их виброактивность очень велико. Смещение одного колеса увеличило разность в шагах сопряженных колес на 0,04 мм и привело к увеличению вибрации их в 8 раз.

Увеличение вибрационной прочности и надежности работы зубчатых колес осуществляется также комбинированными методами поверхностного упрочнения (зубошлифование, обдувка дробью, обкатка роликами и т.д.).

Снижение возбуждаемости изгибных вибраций колес достигается изготовлением его с несимметричным ободом. При наличии асимметрии в колесе имеются две ортогональные формы колебаний с одинаковым числом волн,, смещенные по окружности на угол /(2i), жестко «привязанные» к колесу и отличающиеся по частотам. При вращении колеса в рабочих условиях на этих частотах нет резонанса, так как не образуется бегущих волн деформаций с собственными формами. В этом случае резонируют бегущие волны со средними частотами этих форм, но с меньшей амплитудой. Уменьшение амплитуды изгибных вибраций колеса за счет его асимметрии

где  — декремент колебаний; r=fi1 /fi2 — степень асимметрии при fi1<fi2, i1=i2 — число узловых диаметров ортогональных форм.

Выводы

  1.  Зубчатые передачи имеют сложный спектр собственных частот и форм колебаний.
  2.  Для зубчатых передач характерно действие возбуждающих сил со сложным частотным составом.
  3.  Для ведущей шестерни 870600009 привода агрегатов двигателя РД-600В на режиме малого газа возможно появление резонанса по первой зубцовой гармонике.
  4.  При работе двигателя на режиме малого газа за счёт резонанса возможно увеличение амплитудной составляющей силы в 4 раза.


Заключение

В дипломной работе был дан анализ конструкции, работы и испытаний  двигателя Сатурн РД-600В, проведен качественный и количественный анализ надежности, в результате которого можно сказать, что наиболее отказывающим агрегатом двигателя является редуктор с приводом агрегатов. Было произведено исследование причины разрушение ведущей шестерни привода агрегатов. В результате которого было выяснено, что  возможной причиной разрушения является недостаточная усталостная прочность в условиях резонанса при работе зубчатого колеса на режиме малого газа. Рекомендуется произвести доработку рассмотренной шестерни в направлении увеличения усталостной прочности, а так же провести тензометрирование и вибрографирование для уточнения действующих нагрузок..

При проведении качественного и количественного анализа технологичности было установлено, что конструкция двигателя Сатурн РД-600В соответствует требованиям технологичности.

Проведен анализ организации процесса технического обслуживания. Структура процесса можно считать совершенной, так как вероятность завершения работ в установленный срок не ниже .Поэтому корректировка структуры техпроцесса ТО не требуется.

Разработана установка для заброса птиц в двигатель при проведении специальных испытаний с имитацией попадания птиц во входное устройство. Разработана технологическая карта поведения специальных испытаний с применением разработанной установки

Проведено патентное исследование. Анализ технических решений по метанию и забросу различных предметов не выявил решений аналогичных установке представленной в дипломном проекте.  Рассчитаны технико-экономические показатели эффективности внедрения разработанной установки, на основании расчетов стало ясно, что установка будет экономически эффективна и окупится через 4 года при проведении 3 циклов испытаний в год с её применением. Произведен анализ безопасности жизнедеятельности при проведении испытаний двигателей, а так же обоснование необходимости проведения испытаний на птицестойкость.

В специальной теме дипломного проекта был произведен анализ резонансных характеристик быстроходных, облегчённых, тяжелонагруженных зубчатых передач а так же проведён анализ резонансной характеристики ведущей шестерни привода агрегатов двигателя РД-600В приведены мероприятия по увеличении вибрационной прочности зубчатых колёс.


Список использованных источников

  1.  Авиационные зубчатые передачи и редукторы: Справочник/ Алексеев В.И., Ананьев В.М., Булыгина М.М. и др. – Москва: Машиностроение, 1981. – 374 с.
  2.  Анурьев В.И. Справочник конструктора машиностроителя: в 3-х т. 5-е изд.-     М.: Машиностроение, 1979
  3.  Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иосилевич Г.Б.  Расчёт на прочность деталей машин. – Москва: Машиностроение, 1993.- 340с.
  4.  Вулгаков Э.Б. Высоконапряжённые зубчатые передачи. – Москва: Машиностроение, 1969. – 104 с.
  5.  Вибрации в технике/Ред. совет Челомей В.Н. (пред.): в 6-ти т. – Москва: Машиностроение, 1980
  6.  Горошников В.. В России появился новый авиационный двигатель//Моторостроитель. – 2004. - №1. – С. 1-3.
  7.  Елисеев Ю.С., Крымов В.В., Малиновский К.А., Попов В.Г. Технология эксплуатации, диагностики и ремонта газотурбинных двигателей. – Москва: Высшая школа, 2003. – 355 с.
  8.  Жуковский А.Е., Мазова Г.Е. Технико-экономическое обоснование испытания двигателей летательных аппаратов: Методические указания. –Куйбышев: КуАИ, 1989 - 35с.
  9.  Игонин Н.Н., Новиков Г.А., Старостин И.Г. Исследование причин появления неисправностей авиационной техники: Метод. указания. – Куйбышев: КуАИ, 1984. – 29 с.
  10.  Иосилевич Г.Б. Детали машин. – Москва: Машиностроение, 1988. – 368 с.
  11.  Косточкин В.В. Надёжность авиационных двигателей и силовых установок. – Москва: Машиностроение, 1988. – 272 с.
  12.  Макаровский И.М. Совершенствование технологического процесса технического обслуживания, ремонта и испытаний авиационной техники: Методическое указание по дипломному проектированию. – Самара: СГАУ, 2002. – 20 с.
  13.  Милов Е.А. Анализ эксплуатационной надёжности авиационной техники: Метод. указания. – Самара: СГАУ, 1992. – 29 с.
  14.  Нападов А.П. Анализ процессов технической подготовки самолётов к полётам методами сетевого планирования и управления: Метод. указания. – Куйбышев: КуАИ, 1970. – 16 с.
  15.  Охрана труда в машиностроении: Учебник для машиностроительных вузов/ Под ред. Юдина Е.Я., Белова С.В.. - Москва: Машиностроение, 1983. - 432 с.
  16.  Охрана труда в машиностроении / Юдин Е.Я.; Белов С.В.; Баланцев С.К. и др. -  Москва: Машиностроение, 1983. – 432 с.
  17.  Павлов Ю.И., Шайн Ю.Я., Абрамов Б.И. Проектирование испытательных стендов для авиационных двигателей. – Москва: Машиностроение, 1979. – 267с.
  18.  Паллей Э.С., Королёв И.М., Ровинский Э.В. Конструкция и прочность авиационных газотурбинных двигателей. – Москва: Транспорт, 1967. – 428 с.
  19.  Расчёты на прочность в машиностроении / Под ред. Пономарёва С.Д. – Москва: Машгиз, 1959. – 1118 с.
  20.  Рыжов С.К. Проблемы попадания птиц в авиадвигатели//Воздушный транспорт. - 2001. -  № 22. – С. 18-19.
  21.  Решетов Д.Н. Работоспособность и надёжность деталей машин. – Москва: Высшая школа, 1974. – 206 с.
  22.  Серенсен, С.В., Когаев В.П., Шнейдерович Р.М. Несущая способность и расчёты деталей машин на прочность: Справочное пособие. – Москва: Машиностроение, 1975. – 488 с.
  23.  Сидоренко М.К. Основы вибрации двигателей летательных аппаратов: Учебное пособие. – Самара: САИ, 1992. – 95 с.
  24.  Сидоренко М.К. Виброметрия газотурбинных двигателей. – Москва: Машиностроение, 1973. – 224с.
  25.  Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчёт деталей. – Москва: Машиностроение, 1981. – 550 с.
  26.  Скубачевский Л.С. Испытания воздушно-реактивных двигателей. – Москва: Машиностроение, 1972. – 228 с.
  27.  Сопротивление материалов / Писаренко Г.С., Агарёв В.А., Квитка А.Л., Попков В.Г., Уманский Э.С.– Киев: Вища школа, 1986. – 775 с.
  28.  Стандарт СГАУ 6.1.4-97
  29.  Хронин Д.В. Колебании в двигателях летательных аппаратов. – Москва: Машиностроение, 1980. – 296 с.
  30.  Flight International. – 2002. - №4812. – P. 10.


Приложение 1

К методике проведения испытаний

Технологическая карта № 1

На 2 страницах

Пункт

Проведение специальных испытаний двигателя Сатурн РД-600В
с имитацией попадания птиц во входное устройство

Трудоёмкость_______(чел.-час)

Содержание операций и технические требования (ТТ)

Работы выполняемые, при отклонениях от ТТ

Контроль

  1.  Подготовительные работы

1.1  Произвести монтаж двигателя на стенд

1.2  Установить раму на стенд согласно компоновочному чертежу

1.3  Выполнить рабаты, предусмотренные руководством по эксплуатации установки

  1.  Основные работы.

2.1  Запустить и прогреть двигатель по режиму прогрева.

2.2  Вывести двигатель на нужный режим (задаётся методикой) и выдержка на этом режиме 5 мин.

2.3  Произвести замер параметров.

2.4  Произвести выстрел.

2.5  выдержать на заданном режиме не менее 5 минут (если параметры двигателя не вышли за предельные значения).

2.6  Остановить двигатель.

 

 

Окончание таблицы

К методике проведения испытаний

Технологическая карта № 1

На 2 страницах

2.7  Провести визуальный и с помощью специальных оптических средств осмотр узлов и деталей, доступных без разборки.

2.8  Запустить и выдержать двигатель на крейсерском режиме с измерением параметров работы (если при осмотре не было обнаружено повреждений деталей опасных для дальнейших испытаний)

  1.  Заключительные работы

3.1  Стравить остаточное давление из системы разрушения взрывной мембраны открытием электромагнитного клапана.

3.2  Провести демонтаж установки со стенда

Контрольно-проверочная аппаратура (КПА)

Инструмент и приспособления

Расходуемые материалы

Оптический эндоскоп Olympus

Переносная лампа ПЛ-64, приспособление НУ-9902-150М,

пассатижи, шомпол L=3м,

рожковые ключи ГОСТ 2839-71

Проволока КО 0,8


Данной работой Вы можете всегда поделиться с другими людьми, они вам буду только благодарны!!!
Кнопки "поделиться работой":

 

Подобные работы

2. Анализ эксплуатации железнодорожных путей Белоруссии 504.57 KB
  Выполнение неотложных и первоочередных работ путевыми бригадами, включая устранение отступлений в параметрах рельсовой колеи и замену остродефектных и дефектных элементов верхнего строения.
26. Анализ общества с ограниченной ответственностью ООО Башкирский кирпич 80.32 KB
  К основной производственно-технической базе предприятия относятся цеха и участки в которых производится ремонт, техническое обслуживание и восстановление узлов и агрегатов подвижного состава предприятия. В ООО Башкирский кирпич имеются следующие цеха и участки:
34. Анализ финансового состояния изучаемого предприятия 1.47 MB
  Увеличение коэффициента оборачиваемости и уменьшение оборотного периода, изменение капитализированной прибыли. Объем уровня переменных затрат на единицу продукции, анализ динамики производства и реализации товара.
65. Особенности использования финансового анализа в процессе деятельности предприятия 34.37 KB
  Основные принципы и последовательность анализа финансового состояния предприятия. Роль финансового анализа в процессе принятия управленческих решений. Расчет основных показателей финансовой устойчивости.
71. Анализ состояния компьютерного обеспечения ООО ПФ Логос 43.51 KB
  Разработка тренажерных технологий, приобретение необходимых практических умений и навыков в области программирования и обработки данных. Овладения приемами разработки программных продуктов для автоматизированных систем обработки информации и управления.
126. Основные понятия системного анализа и его критерии 540.5 KB
  Системный анализ - наука, занимающаяся проблемой принятия решения в условиях анализа большого количества информации различной природы. Из определения следует, что целью применения системного анализа к конкретной проблеме является повышение степени обоснованности принимаемого решения, расширение множества вариантов, среди которых производится выбор, с одновременным указанием способов отбрасывания заведомо уступающим другим.
136. Анализ цен на металлопродукцию в среде Microsoft Excel 33.37 KB
  Используя средства Microsoft Excel и статистические показатели, научиться оценивать динамику цен на продукцию металлургических предприятий. Индексы рассчитываются на основе данных, полученных в результате регистрации цен на товары-представители выборочных организаций всех форм собственности.
190. Средства анализа данных 803 KB
  Формирование в блокноте осмысленной информации, использование программных возможностей WinHex. Обработка данных в программном пакете Математика и проверка суммы вероятностей элементов списка. Расчет величины информационной энтропии.
215. Методы замера твердости металлов и их структурный анализ 538.5 KB
  Назначение легирующих элементов и их влияние на свойства стали. Краткие сведения о закалке и отпуске углеродистых сталей. Изучение упрочнения деталей из углеродистых сталей закалкой и последующим отпуском.
223. Анализ общества с ограниченной ответственностью 597 KB
  Определение неудовлетворительной структуры баланса неплатежеспособности предприятия. Имущество предприятия является собственностью Общества. Общество несет ответственность по своим обязательствам любым принадлежащим ему имуществом.