68251

УДОСКОНАЛЕННЯ СПОСОБІВ ДОЗУВАННЯ ЕНЕРГІЇ ПРИ ФІНІШНОМУ ТЕРМОІМПУЛЬСНОМУ ОЧИЩЕННІ ПРЕЦИЗІЙНИХ ДЕТАЛЕЙ ЛІТАЛЬНИХ АПАРАТІВ

Автореферат

Астрономия и авиация

Проблема технологічного очищення поверхонь і кромок деталей високоточних механізмів від задирок мікрочастинок і мікроліквідів є актуальною для всього машинобудування. Так наприклад відомо що при забезпеченні чистоти поверхонь прецизійних деталей і робочих порожнин багатьох машин їхній ресурс можна збільшити у дватри рази.

Украинкский

2014-09-20

3.34 MB

1 чел.

PAGE  17

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського

«Харківський авіаційний інститут»

Борисова Ольга Сергіївна

УДК 621.95.47

УДОСКОНАЛЕННЯ СПОСОБІВ ДОЗУВАННЯ ЕНЕРГІЇ

ПРИ ФІНІШНОМУ ТЕРМОІМПУЛЬСНОМУ ОЧИЩЕННІ ПРЕЦИЗІЙНИХ ДЕТАЛЕЙ ЛІТАЛЬНИХ АПАРАТІВ 

Спеціальність 05.07.02 –

проектування, виробництво та випробування літальних апаратів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Харків – 2011


Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут» Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, доцент

Планковський Сергій Ігорович,

Національний аерокосмічний університет

ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», м. Харків, професор кафедри технології виробництва літальних апаратів.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Божко Валерій Павлович,

Національний аерокосмічний університет

ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», м. Харків, завідувач кафедри;

кандидат технічних наук, доцент

Павленко Дмитро Вікторович,

Запорізький національний технічний

університет, м. Запоріжжя,

доцент кафедри технології авіаційних двигунів.

Захист відбудеться «12» травня 2011 р. о 12 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.062.04 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут» за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут» за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

Автореферат розісланий «7» квітня 2011 р.

Вчений секретар
спеціалізованої вч
еної ради О. М. Застела


ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Проблема технологічного очищення поверхонь і кромок деталей високоточних механізмів від задирок, мікрочастинок і мікроліквідів є актуальною для всього машинобудування. Так, наприклад, відомо, що при забезпеченні чистоти поверхонь прецизійних деталей і робочих порожнин багатьох машин їхній ресурс можна збільшити у два-три рази. В аерокосмічній промисловості підвищені вимоги до якості фінішного оброблення пов'язані з необхідністю забезпечення високої надійності особливо відповідальних високоточних механізмів – агрегатів двигунів, паливної та гідравлічної систем та ін.

При виготовленні прецизійних деталей ЛА задача якісного очищення ускладнюється такими особливостями їхньої конструкції:

  •  високі вимоги до точності;
  •  багатономенклатурність деталей і матеріалів;
  •  наявність каналів малого діаметра, глухих отворів, каналів з довжиною більш ніж десять діаметрів;
  •  складна конфігурація внутрішніх і зовнішніх поверхонь;
  •  мікронні проміжки в парах тертя.

До теперішнього часу жоден з технологічних процесів, які застосовуються при виготовленні прецизійних деталей ЛА, не дає можливості повністю уникнути утворення на оброблюваних поверхнях мікроліквідів і технологічних забруднень. Технологія термоімпульсного очищення поверхонь і кромок, найбільше відповідає вимогам фінішного оброблення прецизійних деталей ЛА. Однак до теперішнього часу вона не отримала широкого розповсюдження на підприємствах галузі. Це пов'язано, зокрема, з тим, що системи дозування енергії, які використовуються в сучасному термоімпульсному обладнанні, потребують налагодження в ручному режимі, що ускладнює забезпечення стабільної якості оброблення; існуюче обладнання не може бути інтегроване в сучасне виробництво, у якому використовуються САD/CAМ-системи, через відсутність моделей і методів, які б давали можливість в цих системах назначати режими оброблення на основі існуючої інформації.

У зв'язку з цим актуальними є питання щодо вдосконалення методів завдання режимів фінішного термоімпульсного очищення прецизійних деталей ЛА, включаючи обґрунтований вибір величини й забезпечення точності дозування енергії на основі методів математичного моделювання в умовах застосування сучасних CAD/CAE-технологій.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. В основу дисертації покладено матеріали, що узагальнюють дослідження, виконані автором у межах реалізації держбюджетних тем Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України:

Д/Р 0106U001044 «Розробка методів інтенсифікації технологічних процесів у виробничих системах наукомістких галузей машинобудування»;

Д/Р 0109U001115 «Моделювання та розробка елементів технологічних систем виробництва авіаційної та автомобільної техніки».

Мета і завдання дослідження. Метою дослідження є підвищення точності й стабільності дозування енергії для покращення якості фінішного термоімпульсного очищення прецизійних деталей ЛА за рахунок комплексного використання CAD/CAE-технологій.

Для реалізації поставленої мети було поставлено такі завдання дослідження:

  •  проаналізувати сучасний стан технологій і устаткування фінішного очищення прецизійних деталей ЛА і визначити тенденції їх удосконалення;
  •  розробити математичну модель процесу сумішоутворення з урахуванням вимог до точності дозування енергії при фінішному очищенні прецизійних деталей ЛА та кількісними критеріями якості паливної суміші як інструменту термоімпульсного очищення;
  •  розробити математичну модель процесу горіння паливної суміші з урахуванням її неоднорідності для визначення величини теплових потоків  – основного технологічного параметру при термоімпульсному очищенні прецизійних деталей ЛА;
  •  запропонувати принципові технічні рішення щодо вдосконалення способів і систем дозування енергії автоматизованих комплексів термоімпульсного фінішного очищення прецизійних деталей ЛА на основі числового моделювання з використанням розроблених моделей.

Об'єкт дослідження – технологія й обладнання фінішного очищення прецизійних деталей ЛА.

Предмет дослідження – способи роботи термоімпульсного обладнання й методи розрахунку режимів термоімпульсного очищення, що забезпечують точність і стабільність дозування енергії під час оброблення прецизійних деталей ЛА.

Методи дослідження. Для реалізації поставлених завдань і отримання основних результатів дисертаційної роботи застосовувалися методи математичного моделювання, числові методи розв'язання задач течії багатокомпонентних газових середовищ з урахуванням процесів горіння, теплообміну й випромінювання. Як інструмент дослідження застосовувалися сучасні обчислювальні пакети на основі методу скінченних елементів і програми тривимірного моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів. У дисертаційній роботі проведено комплекс досліджень, спрямованих на вирішення важливого науково-технічного завдання щодо удосконалення способів дозування енергії та розроблення методів призначення режимів фінішного термоімпульсного очищення прецизійних деталей ЛА. Наукова новизна отриманих результатів полягає в такому.

  1.  Вперше запропоновано математичну модель процесу сумішоутворення в камері термоімпульсної машини з використанням кількісних критеріїв її якості на основі функції розподілу концентрацій компонент. Модель дає можливість визначити склад суміші в будь-якій точці об'єму камери, що дозволяє контролювати забезпечення вимог до точності дозування енергії при термоімпульсному очищенні прецизійних деталей ЛА.
  2.  На основі числових експериментів із застосуванням розроблених моделей вперше встановлено, що раніш використовуване припущення про рівномірність теплових потоків при термоімпульсному обробленні деталей складної форми, характерних для агрегатів ЛА, для випадку послідовного наповнення камери є необґрунтованим. Для підвищення стабільності фінішного термоімпульсного оброблення таких деталей рекомендовано використовувати сумісне наповнення компонентами паливної суміші.
  3.  Удосконалено математичну модель процесу горіння паливної суміші при термоімпульсному обробленні, яка на відміну від раніше застосовуваних, ураховує її неоднорідність, що дає можливість визначення величини теплових потоків – основного технологічного параметру при термоімпульсному очищенні прецизійних деталей ЛА.

Практичне значення одержаних результатів. Практичну цінність дисертаційної роботи складають такі основні результати.

1. Розроблено принципові технічні рішення щодо схем і конструкції компонентів систем наповнення камер термоімпульсних машин з дозуванням суміші за часом, які забезпечують вимоги до точності дозування енергії при фінішному термоімпульсному очищенні прецизійних деталей ЛА. Вказані рішення можуть бути використані для модернізації існуючого термоімпульсного обладнання, а також для імпульсних машин з аперіодичними газоповітряними приводами (для різання, штампування, брикетування та ін.).

2. Розроблено програмне забезпечення для розрахунку теплових потоків, які діють на конструктивні елементи деталей складної форми, характерних для агрегатів ЛА, що дає можливість призначати основні технологічні параметри процесу їх термоімпульсного фінішного очищення – склад і тиск суміші, а також час оброблення.

3. На основі розроблених математичних моделей створено методику розрахунку й програмне забезпечення, яке можна використовувати для створення алгоритмів керування системами дозування енергії автоматизованих комплексів для термоімпульсного очищення прецизійних деталей ЛА.

Результати досліджень передано для використання на Науково-виробничій корпорації «ФЕД» і в науково-дослідних роботах, а також при підготовки фахівців у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського «ХАІ».

Особистий внесок здобувача. Основні ідеї, теоретичні розробки й експериментальні дослідження належать особисто автору. У роботах, написаних у співавторстві, авторові належать: огляд сучасного стану й перспектив розвитку технологій фінішного оброблення прецизійних деталей ЛА; розроблення математичної моделі процесу сумішоутворення в камері термоімпульсної машини; розроблення математичної моделі процесу горіння паливної суміші; запропоновано принципові технічні рішення щодо вдосконалення способів і систем сумішоутворення автоматизованих комплексів термоімпульсного очищення; аналізування недоліків сучасних систем дозування енергії та запропоновано напрями вдосконалення термоімпульсного обладнання для фінішного очищення.

Апробація результатів дисертації. Основні положення й результати роботи доповідались на Міжнародній науково-технічній конференції «Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні» ІКТМ'2007 (м. Харків, 2007 р.), на Міжнародній науково-технічній конференції «Проблеми створення та забезпечення життєвого циклу авіаційної техніки» (м. Харків, 2008, 2010 р. р.).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковано в чотирьох статтях у виданнях, рекомендованих ВАК України (бюл. № 4, 5, 1999 р.). Результати роботи апробовані на чотирьох конференціях різного рівня, у тому числі й на міжнародних.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків і додатків. Повний обсяг дисертації становить 154 сторінки, у тому числі: 62 рисунки на 45 сторінках, 3 таблиці на 3 сторінках, список використаних джерел зі 109 найменувань на 12 сторінках, 2 додатки на 2 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі стисло викладено сучасний стан проблеми й обґрунтовано актуальність дослідження, показано наукову новизну, практичну цінність роботи, особистий внесок здобувача, наведено відомості про апробацію роботи, публікації, структуру й обсяг дисертації.

У першому розділі проаналізовано сучасний стан в області фінішного очищення прецизійних деталей ЛА. Наведено вимоги до фінішного оброблення прецизійних деталей ЛА. Основними з них є такі: збереження точності розмірів і допусків після оброблення; оброблення кромок усіх вхідних деталей; очищення поверхонь усіх деталей рідинного тракту від мікрозадирок і мікрочастинок до параметрів класу чистоти, що визначаються технічними вимогами (5 – 7 клас чистоти, ГОСТ 17216 – 2001); очищення поверхонь деталей від органічних і неорганічних забруднень.

При виготовленні прецизійних деталей ЛА задача якісного оброблення ускладнюється такими особливостями їх конструкцій, як високі вимоги до точності; багатономенклатурність деталей і матеріалів; наявність каналів малого діаметра, глухі отвори, канали з довжиною більш ніж десять діаметрів; складна конфігурація внутрішніх та зовнішніх поверхонь; мікронними зазорами в парах тертя.

Показано, що більшу частину завдань фінішного оброблення прецизійних деталей ЛА вирішує застосування екструзійно-абразивного або термоімпульсного методу. Показано, що перевагою термоімпульсного методу є те, що при його використанні не утворюється вторинних технологічних забруднень і не має потреби в подальшому видаленні поверхневих шарів деталі. Ця властивість дає можливість до його використання для оброблення прецизійних деталей ЛА.

Проведено аналізування технологій та обладнання для термоімпульсного очищення та напрямів їх удосконалення. Показано, що основною тенденцією розвитку устаткування фінішного оброблення прецизійних деталей є створення автоматизованих комплексів, інтегрованих зі спеціалізованими експертними базами.

На основі проведеного аналізу показано, що існуюче термоімпульсне обладнання не може бути інтегроване в сучасне виробництво, яке використовує CAD/CAМ-системи, через відсутність моделей і методів, які б давали можливість призначати режими оброблення на основі інформації, що міститься в цих системах.

У зв'язку з цим актуальними є питання щодо вдосконалення методів завдання режимів фінішного термоімпульсного очищення прецизійних деталей ЛА, включаючи обґрунтований вибір величини й забезпечення точності дозування енергії. Для вирішення цих проблем у дисертації сформульовано мету й завдання дослідження.

У другому розділі розглянуто розроблення математичних моделей для аналізу процесів дозування енергії при фінішному термоімпульсному очищенні. Основними її технологічними параметрами є величина теплових потоків і час їх дії.

Сьогодні при розрахунках технологічних режимів для величини теплового потоку на поверхні деталей при термоімпульсному очищенні використовується залежність:

,

(1)

де Рсм, Тсм, Р0, Т0 –  тиск та температура суміші, початковий тиск і температура відповідно; Vрк, kзоб'єм і коефіцієнт заповнення робочої камери; FΣ – сумарна площа тепловідвідних поверхонь; τ – час дії джерела тепла;  – об'ємна теплота згоряння й частка i-го компонента суміші.

Основним параметром, що впливає на стабільність якості термоімпульсного оброблення поверхонь, є точність забезпечення величини питомої теплоти згоряння палива. Похибка цієї величини згідно з ГОСТ 30319.1 – 96 визначається за формулою:

,

(2)

де  – фактор стисливості газу;  – похибка частки i-го компонента.

При термоімпульсному очищенні забезпечення точності дозування компонентів паливної суміші забезпечується системою наповнення камер термоімпульсних машин. У табл. 1 наведено вимоги до точності систем дозування енергії для цих операцій при фінішному термоімпульсному очищенні прецизійних деталей ЛА.

Таблиця 1

Вимоги до систем дозування енергії при термоімпульсному очищенні

прецизійних деталей ЛА

Матеріал оброблюваних

деталей

Точність систем дозування енергії

Точність системи, %

Діапазон регулювання, с

Магнієві сплави

1...3

1·10-4... 5·10-3

Алюмінієві сплави

1...3

1·10-5...1·10-4

Титанові сплави

1...5

1·10-3... 5·10-2

Низьколеговані сталі

1...5

1·10-4... 5·10-3

Високолеговані сталі

1...5

1·10-4... 5·10-2

У раніше виконаних дослідженнях, присвячених сумішоутворенню у камерах згоряння імпульсних машин з газоповітряним приводом, не досліджувалася ступінь однорідності паливної суміші та її вплив на точність дозування енергії при термоімпульсному очищенні.

У цій роботі для опису процесу сумішоутворення в камері термоімпульсної машини використовується модель однофазної двокомпонентної течії в тривимірній постановці. Для числового дослідження поставленої задачі в роботі використовується система рівнянь Нав'є-Стокса:

,

(3)

,

(4)

(5)

При обчисленні густини, тиску, ентальпії та газової постійної суміші використовуються правила змішання (індекси г і о означають газу та окислювач відповідно): , , , . Для визначення теплофізичних властивостей плинного середовища використовуються рівняння стану, емпіричні і напівемпіричні залежності.

Для визначення складу паливної суміші використовується рівняння для визначення концентрацій компонентів:

(6)

де сі – концентрація i-го компоненти суміші ;  і  – коефіцієнти молекулярної і турбулентної дифузії.

Для визначення турбулентної в'язкості й теплопровідності у роботі використовуються рівняння SST-моделі турбулентності, яка показує високу точність при моделюванні пристінкових течій.

У роботі вперше запропоновано кількісні критерії для оцінювання якості паливної суміші для термоімпульсного оброблення. Такі критерії побудовані на основі функцій розподілу для об'ємної концентрації горючого газу. Функцію розподілу побудовано таким чином: по осі Х відкладено значення об'ємної компоненти пального. Діапазон між мінімальним і максимальним значеннями об'ємної концентрації сгmin і cгmax розбито на N інтервалів.

Рис. 1. Гістограма розподілу концентрації

пального

Як групові частоти використовується величина відносного об'єму камери , у якому значення концентрації горючого газу знаходиться між величинами cг i  і cг k (рис. 1).

Згідно з даними табл. 1 суміш уважається такою, що відповіднає вимогам термоімпульсного оброблення, якщо cг знаходиться всередині діапазону:

.

(7)

Для дослідження згоряння суміші в роботі використовується модель скінченної швидкості хімічних реакцій.

Величина виділення/поглинання тепла  в рівнянні (5) для компоненти i обчислюється як сума виробництва для всіх елементарних реакцій з її участю:

,

(8)

де  – швидкість розвитку елементарної хімічної реакції k. У використаній моделі передбачається, що швидкість елементарної реакції k може бути негативною, якщо визначено зворотна реакція. Тому, величина обчислюється як:

,

(9)

де [І] – молярна концентрація компонента i; Fk, Bk – константи прямих і зворотних реакцій відповідно; r – частка компонента i, що бере участь в елементарній реакції k.

Рис. 2. Залежність ступеня підвищення тиску від часу: 1 – розрахунок автора; 2,3 – експеримент і моделювання ПНУ

Для визначення констант прямих і зворотних реакцій використовуються температурні залежності Арреніуса.

Для оцінювання адекватності розроблених моделей було розв’язано тестову задачу з моделювання горіння метано-повітряної суміші в замкнутій циліндричній камері. Результати числового моделювання порівнювалися з експериментальними даними і результатами моделювання, проведеними в лабораторії LRET Пусанського національного університету (Південна Корея).

За результатами розрахунків щодо розроблених моделей похибка визначення максимального тиску в камері становила 1,28%, а часу горіння – 5% (рис. 2). Похибка визначення тиску не перевершує 5,7. Таким чином, розроблена математична модель адекватно описує реальний процес горіння газової суміші в замкнутій камері згоряння.

На основі запропонованих математичних моделей розроблено методику проектування системи сумішоутворення термоімпульсної машини й вибору режимів процесу. Методика реалізується у середовищі інтегрованої CAD/CAE-системи з асоціативним зв'язком і блоком завдання геометричної інформації, що дає можливість змінювати параметри геометричної й математичної моделей з автоматичною перебудовою розрахункових сіток і дає можливість різко скоротити витрати часу на проведення числових експериментів. 

У третьому розділі розглянуто особливості дозування енергії при термоімпульсному очищенні прецизійних деталей ЛА для різних способів сумішоутворення. Після вирішення тестових завдань з моделювання сумішоутворення при послідовному й спільному наповненні, встановлено, що для забезпечення необхідного ступеня однорідності суміші (± 3 %) слід рекомендувати сумісне наповнення компонентами.

а)

□ – l =10 мм; ∆ – l =8 мм; × – l =6 мм;

◊ – l =4 мм;

б)

□ – l =20 мм; ∆ – l = 16мм; × – l = 12мм; ◊ – l = 8мм;

Рис. 3. Математичне очікування значення масової концентрації метану залежно від часу витримки: а) отвори діаметром 2 мм, б) отвори діаметром 4 мм

Призначення часу витримки запропоновано проводити на основі моделювання формування суміші шляхом взаємної дифузії компонентів і перемішування із залишковою швидкістю руху газів з урахуванням впливу сили тяжіння. Показано, що для метано-повітряної суміші час витримки суміші доцільно встановлювати в діапазоні 0,8 ... 1 с (рис. 3).

Розглянуто процес сумішоутворення в камері термоімпульсної машини із встановленою в ній деталлю складної форми (корпус агрегата ЛА). Моделювання проводилося для двох способів наповнення: послідовного й сумісного. Установлено, що при послідовному наповненні у внутрішніх областях спостерігається значний розкид значень масової концентрації метану (від 0,2 до 9 %). При цьому можуть утворюватись області з масовою концентрацією метану нижче від межі займання (рис. 4а).

При сумісному наповненні склад суміші є майже однорідний – розкид значень масової концентрації метану знаходиться в діапазоні 7,7... 10 %, що відповідає межам займання. (рис. 4б).

З урахуванням інтенсивного перемішування продуктів згоряння можна стверджувати, що умови оброблення всіх внутрішніх поверхонь корпусу при сумісному наповненні будуть практично ідентичними.

Рис. 4. Розподіл масової концентрації суміші у внутрішніх порожнинах агрегата ЛА а) при послідовному наповненні; б) при сумісному наповненні

Величина й час дії теплових потоків є визначальними для якості термоімпульсного очищення. У раніше виконаних роботах значення теплового потоку вважалося рівномірним і постійним на всіх оброблюваних поверхнях. З урахуванням результатів моделювання сумішоутворення було здійснено перевірку цього припущення. Для цього попередньо було проведено аналіз розв’язків тестових задач теплообміну між газовими потоком і твердим тілом. Додатковою метою цього анализу була перевірка обґрунтованості використання вибраної моделі турбулентності.

Як тестові було розглянуто задачі теплообміну між турбулентним потоком газу й стінками труби в зоні ступінчатого розширення діаметра й у зоні пласкої канавки. Ці задачі було обрано як характерні для термоімпульсного очищення корпусних деталей агрегатів ЛА. Результати підтвердили задовільний якісний і кількісний збіг числових розрахунків з використанням SST-моделі турбулентності й експериментальних даних (рис.5).   

а)

б)

Рис. 5. Результати розв’язання тестових задач теплообміну: а) розширення циліндричного каналу:    k-ω-модель; - - -  k-ε-модель; - - - - – двошарова модель;

––– – SST-модель; – експеримент; б) течія у пласкій канавці:    v2fодель;

 - - - -   k-ε-модель; ––– – SST-модель; – експеримент

Для підтвердження рекомендацій з вибору способу наповнення камери компонентами паливної суміші проводилося моделювання згоряння в камері з розташованою в ній модельною деталлю. Під час моделювання розглядалося розповсюдження фронту полум'я (рис. 6), визначалися температура й тиск газів у камері й теплові потоки на поверхні модельної деталі.

0,01 с

0,04 с

0,1 с

Рис. 6. Фронт полум'я й вектори швидкості газу в камері в різні моменти часу після підпалювання

Під час моделювання встановлено, що при розповсюдженні полум'я продовжується рух газів, і внаслідок цього йде додаткове перемішування паливної суміші. Цей процес найбільш інтенсивно йде в об'ємі камери і менш інтенсивно – у внутрішніх порожнинах деталі.  Крім того, на розподіл і величину теплових потоків в деталь на етапі горіння паливної суміші впливає температурний градієнт, що виникає внаслідок адіабатичного стиснення (ефект Махе)  (рис. 7), і коефіцієнт тепловідведення, що залежить від швидкості потоку поблизу поверхні деталі.

Рис. 7. Змінення температури й концентрації метану в точці з максимальною температурою при завершенні горіння суміші: - - - -   – масова доля метану; ––– – температура

Для подальшого аналізу зв'язку фракційного складу суміші після наповнення з величиною теплового потоку в деталь проводилося обчислення кореляційних коефіцієнтів для цих величин. Для цього на поверхнях отворів деталей одного діаметра будувалася група точок.

Значення масової концентрації метану й величина теплового потоку в момент закінчення горіння в цих точках формували вибірки для кореляційного аналізу. Обсяг вибірок становив по 800 точок для кожної групи отворів в модельній деталі. Для цих вибірок визначався коефіцієнт кореляції Пірсона.

Установлено значну розбіжність ступеню залежності між вибірками для груп отворів різного типорозміру. Для отворів з невеликим співвідношенням довжини й діаметра (l/d = 2, 3) кореляція між вибірками майже не спостерігається, що може бути пояснено впливом перемішування суміші під час розповсюдження фронту полум'я і впливом ефекту Махе. Для глибоких отворів (l/d ≥ 3) проглядається майже лінійний зв'язок між вибірками. На рис. 8 зображено діаграму розподілу вибірок для групи отворів модельної деталі діаметром 2 мм і глибиною 8 мм. Для вибірок відповідних груп отворів з l/d = 3, 4, коефіцієнт кореляції Пірсона знаходився в межах 0,7622...0,8266 зі стандартною помилкою 0,0004.

Рис. 8. Діаграма розподілу вибірок за тепловим потоком і масовою концентрацією метану для групи отворів 28 мм

Ураховуючи те, що для прецизійних деталей агрегатів ЛА є характерною наявність отворів із співвідношенням l/d до 20, можна вважати, що ступінь рівномірності паливної суміші є одним із основних факторів для забезпечення стабільності величини теплового потоку при фінішному термоімпульсному очищенні внутрішніх порожнин, що безпосередньо пов'язано з її якістю.

Четвертий розділ присвячено розробленню принципових технічних рішень щодо вдосконалення систем дозування енергії термоімпульсного обладнання. Як основні визначено такі вимоги до систем сумішоутворення термоімпульсних машин: забезпечення рівномірності складу паливної суміші; універсальність щодо палива; автоматична корекція систем контролю при зміненні зовнішніх умов; забезпечення точності вимірювання керувальних параметрів; безпека роботи системи наповнення.

Проаналізовано можливості забезпечення цих вимог при використанні відомих систем дозування енергії для газоповітряних приводів аперіодичної  дії. На основі результатів моделювання зроблено висновок про те, що послідовна схема наповнення, яку в них реалізовано, не забезпечує вимог щодо точності дозування енергії для оброблення прецизійних деталей ЛА (табл. 1). Виконання цих вимог є можливим при використанні способу сумісного наповнення з формуванням суміші безпосередньо під час наповнення камери в спеціальних виконавчих пристроях-змішувачах.

Відомі сьогодні змішувачі, що використовуються на термоімпульсному обладнані (Robert Bosch Gmbh., Extrude Hone Inc., Anlagen Technik Luhden GmbH, Kennametal Inc.), забезпечують тільки інтегральну точність дозування компонент паливної суміші, не витримуючи її склад під час наповнення. Ще одним недоліком існуючих систем дозування енергії є контроль наповнення за тиском, що може призводити до похибок у дозуванні маси заряду у розмірі 15...20 % при роботі з високою циклічністю. Зазначені недоліки усуваються при використанні розробленої удосконаленої системи дозування енергії, схему якої зображено на рис. 8.

Рис. 8. Схема вдосконаленої системи дозування енергії

термоімпульсної установки

Для створення тиску в магістралях подачі компонентів передбачено використання допоміжних циліндрів (як у системах Bosch). Відмітною особливістю запропонованої схеми є включення в тракти подачі палива й окислювача клапанів постійного перепаду тиску. Ці клапани підтримують заданий рівень відмінності тиску між камерою й газовими магістралями , де Рк  – тиск у робочій камері, Рп, Ро – тиск палива й окислювача. Таке рішення стабілізує масову витрату газів на вході в змішувач. Величина Р визначається з умови реалізації підкритичного перепаду тиску. 

Керувальним параметром для дозування заряду в запропонованій схемі є час наповнення, який визначається як , де – маса заряду; – масова витрата суміші. Високою точністю вимірювання часу наповнення гарантується забезпечення точності маси заряду в камері незалежно від температури її стінок та перепадів тиску в магістралях.  

Для забезпечення рівномірності складу суміші в усьому об'ємі камери при проектуванні клапанів постійного перепаду тиску, змішувача і впускного клапана запропоновано використовувати числове моделювання течії в тракті системи в інтегрованих CAD/CAE-системах. Метою проектувальних розрахунків є визначення регулювальних характеристик – співвідношення компонентів залежно від геометричних параметрів пристроїв, ступеня рівномірності готової суміші, а також тривалості перехідного процесу, пов'язаного зі стабілізацією складу суміші у вихідному патрубку. Типову діаграму розподілу масової концентрації у вихідному перерізі змішувача показано на рис. 9.

Рис. 9. Діаграма розподілу масової концентрації палива у вихідному перерізі змішувача

Рис. 10. Залежність масової концентрації метану в вихідному перерізі змішувача від діаметра впускного патрубка окислювача

За результатами проведення числового моделювання з автоматичною генерацією плану експерименту отримано залежність величини математичного очікування масової концентрації метану у вихідному перерізі змішувача від діаметра впускного патрубка окислювача. Графік цієї залежності (з вірогідністю 98,36%) показано на рис. 10. Вказані залежності в подальшому можуть  використовуватись при побудові алгоритмів АСУ термоімпульсного обладнання.

ВИСНОВКИ

  1.   На основі проведеного аналізу сформульовано основні тенденції розвитку устаткування фінішного оброблення прецизійних деталей ЛА, основною з яких є створення автоматизованих комплексів, інтегрованих зі спеціалізованими експертними базами щодо визначення розмірів і місця розташування задирок. Показано, що термоімпульсний метод є одним із найбільш перспективних для фінішного оброблення і очищення прецизійних деталей ЛА. Для забезпечення його конкурентоспроможності нове покоління термоімпульсного обладнання повинно мати можливість інтеграції із сучасними CAD/CAE-системами.
  2.   Під час дослідження процесу сумішоутворення при послідовному й сумісному наповненні з використанням розроблених моделей встановлено, що для забезпечення необхідного для стабільного за якістю термоімпульсного очищення точності дозування енергії (±3 %) слід рекомендувати сумішоутворення за схемою сумісного наповнення компонентами з дозуванням суміші за часом наповнення. При послідовному наповненні у внутрішніх порожнинах прецизійних деталей ЛА складної форми (наприклад, корпусів агрегатів ЛА) можуть утворюватися зони з недостатньою для горіння концентрацією пального.
  3.   Вперше запропоновано математичну модель процесу сумішоутворення в камері термоімпульсної машини на основі рівнянь тривимірної нестаціонарної течії багатокомпонентного газу, у якій на відміну від раніше застосовуваних, до числа досліджуваних параметрів включено фракційний склад паливної суміші. Для оцінювання якості паливної суміші запропоновано кількісні критерії на основі функції розподілу концентрацій компонентів. Модель дає можливість визначити склад суміші в будь-якій точці об'єму камери, що дозволяє  контролювати забезпечення вимог до точності дозування енергії при термоімпульсному очищенні прецизійних деталей ЛА.
  4.   На основі моделі скінченної швидкості хімічних реакцій вперше запропоновано математичну модель процесу горіння паливної суміші при термоімпульсному очищенні, яка на відміну від раніше застосовуваних, враховує неоднорідність паливної суміші, що дає можливість визначення величини теплових потоків – основного технологічного параметру при термоімпульсному очищенні прецизійних деталей ЛА. За результатами порівняння результатів числового моделювання згоряння метано-повітряної суміші в замкнутій камері з даними експериментів похибка визначення максимального тиску в камері становила 1,28%, а часу згоряння 5%.
  5.  Призначення часу витримки суміші з точки зору забезпечення її рівномірного складу при термоімпульсному очищенні деталей складної форми, характерних для агрегатів ЛА, запропоновано проводити на основі моделювання формування суміші шляхом взаємної дифузії компонентів і перемішування із залишковою швидкістю руху газів з урахуванням впливу сили тяжіння для оцінювання можливості розшарування суміші. Для метано-повітряної суміші час витримки доцільно встановлювати в діапазоні 0,8...1 с.
  6.   Установлено, що неоднорідність паливної суміші має істотний вплив на розподіл і величину теплових потоків на внутрішніх поверхнях порожнин деталей ЛА складної форми. Проведений кореляційний аналіз вибірок значень теплового потоку й масової концентрації метану на поверхнях отворів модельної деталі зі співвідношенням l/d 3 показав значну залежність цих параметрів (коефіцієнт кореляції Пірсона 0,7622...0,8266 зі стандартною помилкою 0,0004). Запропоновано напрями вдосконалення моделей термоімпульсного очищення, включаючи створення моделей теплообміну з урахуванням детонаційних процесів, моделювання термонапруженого стану оброблюваних деталей і процесів теплопередачі в камері під час випуску продуктів згоряння.
  7.   Запропоновано принципову схему системи наповнення робочих камер термоімпульсного обладнання паливною сумішшю. Система дає можливість використовувати будь-які види газоподібного палива. Основою системи керування процесом є програмовний контролер і набір відповідних адаптерів. Для забезпечення рівномірності складу суміші при проектуванні клапанів постійного перепаду тиску, змішувача й впускного клапана запропоновано використовувати числове моделювання течії в тракті системи в інтегрованих CAD/CAE-системах.
  8.   Розроблено методику проектування виконавчих пристроїв системи наповнення в інтегрованих CAD/CAE-системах. Методика дає можливість визначати співвідношення компонентів суміші залежно від геометричних параметрів пристроїв, ступінь рівномірності готової суміші, а також тривалість перехідних процесів. Показано, що при проектуванні змішувачів палива застосування методики дає можливість отримати рівномірність складу суміші з точністю порядку 0,1 %. Методику можна використати при побудові алгоритмів АСУ термоімпульсного обладнання.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

  1.  Планковский С.И. Современное состояние и перспективы развития технологий финишной отделки прецизионных деталей летательных аппаратов/ С.И. Планковский, А.В. Лосев, О.В. Шипуль, О.С. Борисова// Авиационно-космическая техника и технология. – 2010. - №2(69). – С.3947.
  2.  Борисова О.С. Моделирование термоимпульсной обработки с учетом неоднородности топливной смеси / С.И. Планковский, О.В. Шипуль, О.В. Трифонов, О.С. Борисова // Открытые информационные и компьютерные технологии. –Х.: «ХАИ». – 2010. – Вып. 46. – С. 7587.
  3.  Мазниченко С.А. Об особенностях смесеобразования в тепловых приводах импульсного оборудования / С.А. Мазниченко, С.И. Планковский, О.С. Борисова // Авиационно-космическая техника и технология. – 2007. – №7(44). – С.4552.
  4.  Борисова О.С. Направления совершенствования систем дозирования энергии термоимпульсного оборудования для финишной очистки / С.И. Планковский, О.В. Шипуль, О.С.Борисова, В. Г. Козлов // Открытые информационные и компьютерные технологии. – Х.: «ХАИ». – 2010. – Вып. 45. – С. 99108.

В працях, написаних у співавторстві, авторові належать:

[1] – огляд сучасного стану й перспектив розвитку технологій фінішного оброблення прецизійних деталей ЛА; [2] – запропоновано математичні моделі для розрахунку теплового впливу на деталь при термоімпульсному очищенні з урахуванням нерівномірності фракційного складу паливної суміші; [3] – моделювання особливостей сумішоутворення в теплових приводах імпульсного обладнання; [4] – проведено аналіз недоліків сучасних систем дозування енергії та запропоновано напрями вдосконалення термоімпульсного обладнання для фінішного очищення.

АНОТАЦІЯ

Борисова О. С. Удосконалення способів дозування енергії при фінішному термоімпульсному очищенні прецизійних деталей літальних апаратів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.07.02 – проектування, виробництво та випробування літальних апаратів. – Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», Харків, 2011.

Дисертацію присвячено вдосконаленню способів дозування енергії при фінішному термоімпульсному очищенні прецизійних деталей ЛА, містить дослідження в частині сумішоутворення в камерах термоімпульсних машин за допомогою математичного моделювання; оцінювання якості паливної суміші. Запропоновано кількісні критерії оцінювання якості суміші; моделі горіння паливної суміші. Призначення часу витримки суміші запропоновано проводити на основі моделювання формування  суміші  шляхом взаємної дифузії компонент і перемішування із залишковою швидкістю руху газів. Розроблено методику проектування виконавчих пристроїв системи наповнення камери термоімпульсних машини в інтегрованих CAD/CAE-системах.

Дисертація містить результати теоретичних і числових досліджень. Дослідження базуються на рівняннях тривимірної нестаціонарної течії багатокомпонентного газу. Математичне моделювання виконано з використанням сучасних CAE-пакетів і систем автоматизованого проектування.

Результати роботи передано для використання на Науково-виробничу корпорацію «ФЕД» і в науково-дослідних роботах, а також для підготовки фахівців у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського «ХАІ».

Ключові слова: термоімпульсне очищення, математична модель процесу сумішоутворення, CAD/CAE-системи.

АННОТАЦИЯ

Борисова О. С. Совершенствование способов дозирования энергии при финишной термоимпульсной очистке прецизионных деталей летательных аппаратов. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.07.02 – проектирование, производство и испытания летательных аппаратов. – Национальный аэрокосмический университет им. Н. Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт», Харьков, 2011.

Диссертация посвящена совершенствованию способов дозирования энергии при финишной термоимпульсной очистке прецизионных деталей ЛА, включает в себя исследования в части смесеобразования в камерах термоимпульсных машин  посредством математического моделирования на основе уравнений трехмерного нестационарного течения многокомпонентного газа; оценки качества топливной смеси. Предложены количественные критерии оценки качества смеси на основе функции распределения концентраций компонент; модели горения топливной смеси с учетом ее неоднородности при термоимпульсной обработке, что позволяет определять распределение температур продуктов сгорания вблизи поверхности обрабатываемых деталей. Назначение времени выдержки смеси предложено проводить на основе моделирования формирования смеси путем взаимной диффузии компонент и перемешивания с остаточной скоростью движения газов. Разработана методика проектирования исполнительных устройств системы наполнения камеры термоимпульсной машины в интегрированных CAD/CAE-системах.

Целью исследования является повышение точности и стабильности дозирования энергии для улучшения качества финишной термоимпульсной очистки прецизионных деталей ЛА за счет комплексного использования CAD/CAE-технологий.

В диссертации получены следующие научные и практические результаты.

На основе проведенного анализа сформулированы основные тенденции развития оборудования финишной обработки прецизионных деталей, основной из которых является создание автоматизированных комплексов, интегрированных со специализированными экспертными базами по определению размеров и места расположения заусенцев. Показано, что термоимпульсный метод является одним из наиболее перспективных для финишной отделки и очистки прецизионных деталей ЛА.

Впервые предложена математическая модель процесса смесеобразования в камере термоимпульсной машины на основе уравнений трехмерного нестационарного течения многокомпонентного газа, в которой в отличие от ранее применявшихся в число исследуемых параметров включен фракционный состав топливной смеси.

На основе модели конечной скорости химических реакций впервые предложена математическая модель процесса горения топливной смеси при термоимпульсной обработке, которая в отличие от ранее применявшихся  учитывает неоднородность топливной смеси, что позволяет определять распределение температур продуктов сгорания вблизи поверхности обрабатываемых деталей.

В результате исследования процесса смесеобразования при последовательном и совместном наполнении с использованием разработанных моделей установлено, что для обеспечения необходимой для стабильной по качеству термоимпульсной очистки степени однородности смеси (±3 %) следует рекомендовать смесеобразование по схеме совместного наполнения компонентами.

Установлено, что неоднородность топливной смеси оказывает существенное влияние на распределение и величину тепловых потоков для деталей ЛА на внутренних поверхностях полостей сложной формы.

Предложена принципиальная схема системы наполнения  рабочих камер термоимпульсного оборудования топливной смесью. Система позволяет использовать любые виды газообразного топлива. Основой системы управления процессом служит программируемый контроллер и набор соответствующих адаптеров. Для обеспечения равномерности состава во всем объеме камеры при проектировании клапанов постоянного перепада давления, смесителя и впускного клапана предложено использовать численное моделирование течения в тракте системы в интегрированных CAD/CAE-системах.

Разработана методика проектирования исполнительных устройств системы наполнения в интегрированных CAD/CAE-системах. Методика позволяет определять соотношение компонент смеси в зависимости от геометрических параметров устройств, степень равномерности готовой смеси, а также длительность переходных процессов.  Показано, что при проектировании смесителей топлива применение методики позволяет получить равномерность состава с точностью порядка 0,1 %. Методика может быть использована при  построении алгоритмов АСУ термоимпульсного оборудования.

Результаты исследований переданы для использования на Научно-производственную корпорацию «ФЭД» и в научно-исследовательских работах, а так же для подготовки специалистов в Национальном аэрокосмическом университете им. Н.Е. Жуковского «ХАИ».

Ключевые слова: термоимпульсная очистка, математическая модель процесса смесеобразования, CAD/CAE-системы.

SUMMARY

Borysova O. Improving methods dosage energy at the finish thermopulse cleaning of precision parts of flying vehicle. – Manuscript.

Ph.D. Thesis in the field of technical sciences for the specialization 05.07.02 – designing, manufacturing and testing of flying vehicle’s. – The National Aerospace University named after N. Yе. Zhukovsky «Kharkov Aviation Institute», Kharkov, 2011.

Ph.D. Thesis is dedicated to improving methods dosage energy at the finish thermopulse cleaning of precision parts of flying vehicle, includes research in the cells of the chamber machines using mathematical modeling to evaluate the quality of the fuel mixture. A quantitative evaluation criterion as a mixture model of combustion of the fuel mixture. Holding time mix proposed to perform the simulation on the basis of mixture components by mutual diffusion and mixing with residual speed of gases. A technique of execution units of the filling chamber thermopulse machines in integrated CAD/CAE-systems.

Ph.D. Thesis contains the results of theoretical and numerical studies. The investigation is based on the equations of three-dimensional unsteady flow multidimensional gas. Mathematical modeling is made using modern CAE-packages and computer aided design systems.

The results were handed over for use in Research and Production Corporation «FED» and used to carry out research and training in the National Aerospace University named after N. Yе. Zhukovsky «KhAI».

Keywords: thermopulse cleaning, deburring, mathematical model of carburetion, CAD/CAE-system.


Підписано до друку 05.04.2011

Формат 60х90/16. Папір. офс. № 2. Офс. друк

Ум. друк. арк. 1,0. Наклад 100 прим. Замовлення 148

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського

«Харківський авіаційний інститут»

61070, м. Харків-70, вул. Чкалова, 17

http://www.khai.edu

Видавничий центр «ХАІ»

61070, Харків-70, вул. Чкалова, 17

izdat@khai.edu


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

36398. Поясните сущность частотных методов синтеза корректирующих устройств 26.46 KB
  Основаны на графическом построении и являются достаточно простыми хорошо разработанными и наглядными методами синтеза. Существует несколько видов частотного синтеза. Для таких ОПФ ЛАЧХ и ЛФЧХ однозначно определяют друг друга и для синтеза достаточно рассматривать лишь ЛАЧХ разомкнутой САУ.
36399. Применение теоретических моделей для описания технологических объектов 11.58 KB
  Теоретические модели применяются для сравнительно простых и хорошо изученных объектов. Однако теоретические модели сложных ТО находят ограниченное применение в управлении такими объектами. Вторая причина – попытка упростить математическую модель приводит к потере адекватности модели к объекту. Наиболее широкое применение теоретические модели нашли в электротехнике механике гидравлике сопротивление материалов теория машин и механизмов.
36400. Стандартные сужающие устройства. Основные параметры для расчета сужающих устройств 127.31 KB
  К стандартным сужающим устройствам относятся диафрагмы сопла и сопла Вентури. По двум сторонам диафрагмы располагаются отверстия по средствам которых снимается давление перед и после диафрагмы. Здесь благодаря наличию диффузора потери давления значительно меньше чем у сопла или диафрагмы.
36401. Уровни автоматизации управления 61.35 KB
  Уровни автоматизации управления Уровни автоматизации управления обычно совпадают с принятыми уровнями управления. На предприятии ряда отраслей промышленности в общей смене автоматизированного управления предприятия выделяют 3 уровня: автоматизации управления технологическими процессами; автоматизации управления на уровне производств; автоматизации управления на уровне предприятия. На верхней ступени решаются технические и в основном экономические...
36402. Дайте определение и поясните понятие комплексного коэффициента передачи нелинейного звена 38.1 KB
  Комплексным коэффициентом передачи нелинейного звена называется отношение комплексной амплитуды первой гармоники нелинейного звена к амплитуде входного сигнала. Функции и называются коэффициентами гармонической линеаризации потому что представляют нелинейное звено фиктивным линейным линеаризированным нелинейного звена в частотной области для амплитуды первой гармоники. Они показывают зависимость амплитуды и фазы выходной гармоники нелинейного звена от амплитуды и фазы входного сигнала. Фактически нелинейные звенья с нечетно...
36403. Выведите уравнения гармонического баланса для нелинейной САУ и поясните их 525.87 KB
  Для этого необходимо решить уравнения гармонического баланса. Рассмотрим систему гармонического баланса: баланс амплитуд и баланс фаз Из уравнения баланса фаз определяется частота на которой сдвиг по фазе равен . Далее эта частота подставляется в 1ое уравнения в баланс амплитуд.
36404. Выведите условия возникновения автоколебаний в нелинейной САУ и поясните способ определения их устойчивости по частотному критерию Гольдфарба 969.33 KB
  Выведите условия возникновения автоколебаний в нелинейной САУ и поясните способ определения их устойчивости по частотному критерию Гольдфарба. Для определения устойчивости автоколебаний используется метод Dразбиения в соответствии с которым комплексная плоскость разбивается на 2 зоны: границей Dразбиения будет годограф. Рассмотрим устойчивость колебаний в точке 1 и точке 2. Пусть под действием внешних факторов амплитуда колебаний увеличится тогда по годографу параметры колебаний переместятся влево от точки то есть система окажется в...
36405. Приведите структурные схемы дискретных и цифровых САУ, поясните назначение звеньев и преобразования сигнала 78.25 KB
  Дискретной называется система, которая осуществляет обработку дискретных сигналов. Будем использовать понятия дискретная система и дискретный сигнал как синонимы, и мат. модели цифрового системы и цифрового сигнала с неограниченной разрядностью АЦП и неограниченной точностью обработки.
36406. Приведите классификацию, структурную схему импульсной САУ. Поясните преобразования сигнала при модуляции и демодуляции и формирование закона управления 66.39 KB
  Оно во многих случаях по эффективности совпадает с цифровыми то есть имеет те же преимущества но формирует на объект воздействие импульсное то есть электродвигатели работают в импульсном режиме что дает энергетические преимущества то есть делает САУ экономичными. ИМ – импульсный модулятор ВУ – вычислительное устройство ИД – импульсный демодулятор ИМ – импульсный модулятор АИМ: В САУ с АИМ в качестве демодулятора используются электродвигатели исполнительных механизмов которые являются обязательными элементами любой САУ.