[ «ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОПЛИВНЫХ ФОРСУНОК ГТД ПУТЁМ ФУНКЦИОНАЛЬНО-ОРИЕНТИРОВАННОЙ СБОРКИ ...»
1
Министерство образования и наук
и Российской Федерации
ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический
университет имени П. А. Соловьева»
На правах рукописи
Сазанов Андрей Александрович
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОПЛИВНЫХ
ФОРСУНОК ГТД ПУТЁМ ФУНКЦИОНАЛЬНО-ОРИЕНТИРОВАННОЙ
СБОРКИ
Специальность 05.02.08 – Технология машиностроения Диссертация на соискание учной степени кандидата технических наукНаучный руководитель доктор технических наук Семнов Александр Николаевич Рыбинск –
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение................................................... Глава 1 Проблема обеспечения точности и взаимозаменяемости деталей и узлов машин на различных этапах производства.............. 1.1 Анализ исследований влияния точности деталей на качество узлов и машин на этапах конструирования и механической обработки.... 1.2 Анализ исследований влияния точности деталей на качество узлов и машин на этапе сборки..................................... 1.3 Анализ состояния рассматриваемой научной проблемы применительно к объекту исследования.............................. 1.4 Цель работы и задачи исследования.........................1.5 Выводы по главе 1....................................... Глава 2 Исследование взаимосвязи точности геометрических параметров деталей и выходных параметров топливной форсунки ГТД... 2.1 Основные понятия в концепции функциональной взаимозаменяемости....................................... ……….. Классификация функциональных параметров изделий 2. машиностроения................................................. 2.3 Системный подход к формированию процесса функциональноориентированной сборки топливной форсунки ГТД................... 2.4 Исследование особенностей формирования функциональных параметров деталей топливной форсунки............................ 2.5 Изучение взаимосвязи функциональных параметров деталей и служебных параметров топливной форсунки ФР-40ДС................. 2.6 Выводы по главе 2........................................
Глава 3 Математическое моделирование взаимосвязи параметров деталей и выходных параметров топливной форсунки ГТД..............
3.1 Общий подход к математическому моделированию выходных параметров топливной форсунки....................................
3.2 Разработка модели взаимосвязи геометрических параметров деталей распылительного пакета форсунки и расхода топлива...........
3.3 Разработка модели взаимосвязи геометрических параметров деталей распылительного пакета форсунки и параметра неравномерности распыла топлива.................................................. 3.4 Адаптация полученных моделей к применению в технологическом процессе сборки форсунок.......................... 3.5 Теоретические основы нового способа сборки топливных форсунок........................................................ 3.6 Выводы по главе 3......................................... Глава 4 Разработка мероприятий по повышению эффективности технологии производства топливных форсунок ГТД................... 4.1 Технологическое обеспечение качества топливных форсунок на этапе механической обработки деталей распылительного пакета......... 4.2 Описание способа селективной сборки распылительных пакетов форсунок по гидравлическим параметрам............................ 4.3 Алгоритм построения технологического процесса сборки топливных форсунок на основе предложенного способа............ …… 4.4 Компоновочная схема приспособления для испытания распылительных пакетов форсунок................................... 4.5 Принципиальная схема установки для испытания топливных форсунок ГТД................................................. … 4.6 Выводы по главе 4........................................... Глава 5 Практическая реализация результатов исследования по 5.1 Методика функционально-ориентированной сборки топливных 5.2 Разработка компьютерной программы для автоматизированной сортировки деталей распылительного пакета...........................
5.5 Применимость разработанного способа сборки к различным ВВЕДЕНИЕ
В качестве объекта исследования, иллюстрирующего описанную проблему, были выбраны топливные форсунки авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) семейства Д-30КУ/КП. Топливная форсунка является одним из основных узлов топливной системы ГТД. Она обеспечивает подачу определнного количества горючего в камеры сгорания двигателя, в виде факела распыла требуемой конфигурации. Качество работы форсунки оказывает прямое влияние на важнейшие характеристики камеры сгорания двигателя: неравномерность температурного поля на выходе из камеры сгорания, полноту сгорания топлива.
Отклонения по данным параметрам могут вызвать снижение КПД, мощности двигателя, снизить его экологические характеристики, а также привести к повреждению некоторых узлов. В настоящее время параметры готовых топливных форсунок имеют значительный разброс в пределах установленных допусков. При реализации существующих технологических процессов изготовления и сборки форсунок достижение указанных эксплуатационных показателей осуществляется путем введения дополнительных операций по слесарной доработке деталей форсунки. Как правило, циклы таких доработок повторяются многократно. Необходимость проведения доводочных операций приводит к повышению себестоимости готовой форсунки, увеличению общего времени изготовления форсунки и является препятствием для повышения эффективности технологического процесса е сборки. Основной причиной данной ситуации является то, что на этапе сборки в состав форсунки включаются детали, имеющие различные по величине отклонения тех или иных конструктивных параметров, что оказывает практически неконтролируемое влияние на параметры форсунки. Существующие способы сборки машиностроительных изделий не могут быть применены в рассматриваемом случае вследствие особенностей конструкции и функционирования топливных форсунок.
принципиально нового подхода к построению сборочного процесса форсунки.
Теоретической основой для достижения поставленной цели служит концепция функциональной взаимозаменяемости. Данная концепция базируется на управлении функциональными параметрами деталей с целью обеспечения требуемых свойств готового изделия (узла, машины).
Функциональный параметр – параметр изделия или его составных частей в заданных условиях эксплуатации, изменение которого напрямую влияет на эксплуатационные показатели. В зависимости от принципа действия изделия функциональные параметры также могут иметь различную физическую природу.
Отправной точкой разработки нового подхода (способа сборки форсунки) будет служить глубокий и всесторонний анализ существующих технологических процессов и производственных сведений. В ходе анализа необходимо выявить достаточный набор факторов, условий и параметров, имеющих определяющее воздействие на формирование эксплуатационных показателей форсунки при е сборке. По данным анализа должны быть созданы методические и технические средства, позволяющие осуществить максимально возможное сближение контролируемых параметров деталей и эксплуатационных показателей форсунки.
Данные средства сделают возможным переход от традиционного нормирования и контроля геометрических (чертжных) характеристик деталей к определению их физических (функциональных) параметров.
Для деталей форсунки функциональные параметры определяются гидравлическими процессами течения рабочего тела по каналам топливного тракта. Управление функциональными параметрами деталей позволяет напрямую воздействовать на эксплуатационные показатели форсунки. Практическое внедрение разрабатываемого способа сборки позволит повысить точность выходных параметров форсунок без проведения доводочных операций, что будет иметь положительное влияние на параметры работы ГТД и позволит снизить производственные издержки.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю доктору технических наук Семнову Александру Николаевичу за помощь, оказанную в работе над диссертацией.
ГЛАВА 1 ПРОБЛЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТОЧНОСТИ И
ВЗАИМОЗАМЕНЯЕМОСТИ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ МАШИН НА РАЗЛИЧНЫХ
ЭТАПАХ ПРОИЗВОДСТВА
1.1 Анализ исследований влияния точности деталей на качество узлов и машин на этапах конструирования и механической обработки Изучение влияния технологических отклонений на эксплуатационные показатели различных изделий в отечественной науке проводится с 1950-х годов.Именно в этот период произошла трансформация представлений о некоторых ключевых понятиях теории точности деталей, узлов и машин. Важнейшим из взаимозаменяемости в машиностроении как принципа конструирования, производства и эксплуатации машин и других изделий, обеспечивающего бесподгоночной сборке в узел независимо изготовленных сопрягаемых деталей.
Такой подход не учитывал в явном виде характер и степень влияния фактических производственных отклонений составных частей машины на е эксплуатационные показатели. Взаимозаменяемость сводилась к обеспечению собираемости изделия, т.е. по своей сути являлась геометрической. Однако в связи с развитием автоматизированных производств, повышением требований к долговечности и наджности машин, расширением номенклатуры и усложнением физических принципов действия изделий получила развитие новая трактовка понятия взаимозаменяемости. Оно было увязано с функциональным назначением и эксплуатационными параметрами деталей и узлов машин на примере ряда механических систем. С этого времени начинается разработка ряда теоретических принципов, направленных на обеспечение функциональной взаимозаменяемости изделий машиностроения.
Впервые такая новая разработка вопроса проводилась в Центральном научно-исследовательском институте технологии машиностроения под руководством д.т.н. Н.А. Калашникова учными Л.А. Архангельским, Г.А.
Лившицем, П.Н. Ткачевским, Б.А. Тайцем. В трудах этой школы основное внимание уделялось теоретической разработке норм точности некоторых механических передач.
Большое внимание вопросу влияния геометрической точности деталей на функциональное качество узлов и машин уделялось в научных работах д.т.н., профессора А.И. Якушева. Им были введены несколько фундаментальных терминов, в частности понятие функциональной взаимозаменяемости, которая трактовалась как обеспечение в заданных пределах экономически оптимальных и стабильных во времени эксплуатационных показателей изделий и их элементов, при одновременном соблюдении взаимозаменяемости по этим показателям. При эксплуатационными показателями изделий и их функциональными параметрами, математическое представление которой было определено выражением 1. где x1, x2,…xn – независимые между собой функциональные параметры изделия;
y – эксплуатационный показатель изделия.
В качестве базовых геометрических характеристик, определяющих физическое состояние единичных поверхностей детали или их совокупностей А.И. Якушевым были выделены следующие параметры:
- точность размера (регламентирован ГОСТ 25346-89);
- точность геометрической формы элементов детали (регламентирован ГОСТ 24642-81);
- точность взаимного расположения поверхностей элементов деталей (регламентирован ГОСТ 24642-81);
поверхности (параметр не стандартизован).
Под функциональными параметрами в работах А.И. Якушева понимаются геометрические, электрические, механические и другие параметры изделий, функциональной взаимозаменяемости была распространена не только на механические устройства, но и на электрические и некоторые другие системы.
Более подробно вопросы функциональной взаимозаменяемости изучались А.И. Якушевым на примере резьбовых соединений. Дополнительно А.И.
Якушевым изучались вопросы взаимозаменяемости гладких цилиндрических соединений деталей машин в свете соотношения стандартизованных систем допусков и посадок с реальными условиями производственной среды. В качестве основных средств выбора степени точности объектов машиностроения А.И.
Якушевым были выделены следующие методы: метод прецедентов, метод подобия, расчтный метод.
Обеспечение принципа функциональной взаимозаменяемости, согласно исследованиям А.И. Якушева, должно быть привязано ко всем основным этапам жизненного цикла изделия: проектированию, изготовлению и эксплуатации. В связи с этим на практике должна существовать чткая система конструкторской, метрологической, технологической и эксплуатационной документации.
взаимозаменяемости связано с исследованиями И.В. Дунина-Барковского, исследования И.В. Дунина – Барковского являются развитием и углублением идей и принципов, заложенных А.И. Якушевым. Он применил принцип функциональной взаимозаменяемости к новому классу объектов машиностроения - шлицевым и шпоночным соединениям деталей машин. Функциональная взаимозаменяемость и конкретно-практический метод е достижения были увязаны с технологией изготовления (применяемыми, либо доступными методами обработки) и механическими свойствами материала деталей соединения. В функциональной взаимозаменяемости были распространены на все основные соединения и передачи, такие как: конические соединения (А.М. Журавлв, Н.М. Федотов); реечные и червячные передачи (Б.А. Тайц, А.И. Якушев);
соединения с натягом (А.М. Дальский, Д.Н. Решетов).
Важным направлением в научной работе И.В. Дунина-Барковского также была разработка принципов взаимозаменяемости поверхностей по параметрам шероховатости. Согласно данным исследованиям шероховатость поверхности эксплуатационных свойств деталей машин. В частности, были проведены исследования влияния шероховатости деталей прессового соединения на его прочность. Данные исследования проводились И. В. Дуниным-Барковским, совместно с учными А. И. Якушевым и И. Г. Фридлендером.
взаимозаменяемости изделий разрабатывались в исследованиях научной школы Института Проблем Машиноведения РАН (г. Санкт-Петербург) под руководством д.т.н., проф., В.П. Булатова, д.т.н., проф., И.Г. Фридлендера. В ходе данных исследований рассматривались проблемы применения средств математической статистики в теории точности, существования рисков 1-го и 2-го рода, выбора критериев принятия решений, управления законами распределения, решения многомерных задач в теории точности и т.д. [18,19]. По своему характеру данные исследования носят широкий фундаментальный характер и призваны определить наиболее эффективные и целесообразные для применения в теории точности и дальнейшей разработки математические методы и их особенности. Теоретические исследования по этому направлению также присутствуют в работах учных Мусалимова В.М [24,25,26].
взаимозаменяемости механических систем был предложен к.т.н. Ю.Н. Ляндоном.
Он разработал кинематический метод исследования погрешностей применительно к деталям различных механизмов и передач. Основой данного метода является принцип инверсии, согласно которому одна и та же деталь в процессе своего жизненного цикла проходит несколько обращений (инверсий) сначала в качестве объекта обработки, затем в качестве объекта измерений, и, наконец, в качестве детали механизма. Практическое приложение результаты исследований Ю.Н. Ляндона получили применительно к обеспечению функциональной взаимозаменяемости подшипников скольжения и качения, кулачковых механизмов, зубчатых передач.
Изучению теоретических вопросов обеспечения кинематической точности и функциональной взаимозаменяемости механизмов также были посвящены научные работы учных Е.А. Нурминского и В.К. Кулика. В основу их исследований было положено предположение о том, что силовое воздействие на детали механизмов в процессе их изготовления имеет случайный характер, ввиду неидентичности даже теоретически одинаковых рабочих процессов [22].
Указанные случайные силовые возмущения определяют случайный характер кинематических возмущений работающего механизма. С целью повышения качества и обеспечения взаимозаменяемости механизмов авторами был предложен метод оптимального синтеза механизмов в стохастической постановке с учтом случайного характера возмущений и отклонений параметров.
Исследования Е.А. Нурминского и В.К. Кулика опираются на работы учного Н.Г. Бруевича, который одним из первых исследовал вопросы нелинейной теории точности механизмов, синтеза механизмов с учтом их эксплуатационного назначения.
Другой метод достижения функционального качества механических устройств разрабатывался к.т.н., В.И. Глуховым. За основу было взято традиционное разделение геометрических и размерных параметров по их назначению на две основные группы [1]. К первой группе относятся размеры, определяющими конфигурацию и габариты элементов детали, или элементные размеры. Для обеспечения взаимозаменяемости было разработано понятие комплексного размера. Комплексный размер представляет собой совместную характеристику отклонения положения и отклонения формы сопрягаемых элементов изделия. Определения комплексных элементных размеров учитывают служебное назначение поверхностей деталей при эксплуатации машины и распространяются на любые геометрические элементы деталей, образующие посадки. Практическое апробирование комплексных показателей размерной и геометрической точности деталей машин осуществлялось при производстве деталей шестернных насосов (НШ) с целью достижения их заданных механических характеристик.
Обеспечению выходной точности металлорежущих станков на основе изучения влияния погрешностей размеров, формы и расположения составляющих их узлов были посвящены работы учных В.Т. Портмана, В.Г Шустера, А.Н. Авдулова. Ими была разработана расчтная схема точности станка, позволявшая наглядным образом представить связь между его входными и выходными параметрами [5,36]. В описанной схеме в качестве входных параметров рассмотрены погрешности узлов и элементов станка. Выходными параметрами являются погрешности размеров, положения и формы обработанных на станке поверхностей. Решение поставленной задачи основано на аппроксимации обработанной поверхности базовой поверхностью заданного вида.
Функциональная взаимозаменяемость гидростатически разгруженных подпятников, используемых в конструкциях опор поршневых насосов [4], исследовалась учными И.И. Бажиным, Л.А. Ищенко, В.А. Мищенко.
Работоспособность подпятников зависит от несущей способности масляного клина в зазоре между подпятником и эксцентриком. Колебание данного параметра вызвано производственными отклонениями деталей, входящих в состав опоры. В качестве колеблющегося технологического параметра был принят радиус R цилиндрической поверхности, по которой происходит сопряжение подпятника с эксцентриком. В результате исследования было установлено, что при всех значениях R меньше номинального, величина неприлегания имеет наименьшее влияние на величину среднего зазора и как следствие качество работы опоры.
Исследование вопросов функциональной точности и взаимозаменяемости изделий ракетно-космической техники проводилось в работах учных А.Д. Никифорова, А.Н. Ковшова, Ю.Ф. Назарова [6]. Основное внимание уделялось стандартизации метрологического обеспечения производства, основанного на принципе совмещения составляющих точности с контролем функциональных параметров изделия. Для рассматриваемого класса техники были выделены специфические функциональные параметры, такие как масса, положение центра тяжести и моментов инерции. Для реализации разработанного принципа авторами было предложена специальная методика оценки отклонений формы.
Исследования, подобные рассмотренным, выполнялись по отношению ко многим изделиям различного назначения: плунжерным парам ТНВД, пружинам и мембранам измерительных приборов, шариковым винтовым передачам станков с ЧПУ, упругим муфтовым соединениям валов машин, зубчатым коническим передачам Новикова, прямозубым коническим передачам и др.
1.2 Анализ исследований влияния точности деталей на качество узлов и Исследования по взаимосвязи параметров деталей и качества узлов и машин на сборочным этапе появились как развитие подобных идей и принципов, разрабатывавшихся применительно к этапам конструирования и механической обработки. Основной причиной появления данного научного направления послужило развитие техники и, как следствие, потребностей производства.
Разработка методов управления качеством изделий только применительно к этапам конструирования и механической обработки деталей при достижении определнного технического уровня продукции машиностроения уже не могла обеспечить стабильные высокие эксплуатационные характеристики. В свом развитии данное научное направление прошло несколько этапов. В существующей практике технологии машиностроения в той или иной степени используются данные каждого из этих этапов.
В настоящее время в качестве основы для построения сборочных процессов в технологии машиностроения используются теоретические положения, внедрнные Б.С. Балакшиным. Целью внедрения данных средств было научнотеоретическое обоснование процессов сборки изделий. К упомянутым средствам можно отнести следующие положения, предложенные Б.С. Балакшиным:
- теория базирования;
- теория размерных цепей;
- методы достижения точности замыкающего звена.
В рамках проводимого исследования наибольший интерес представляют методы достижения точности замыкающего звена. Эти методы очень часто используются для построения сборочных процессов, поскольку они считаются наиболее апробированными и “традиционными”. Способы сборки с применением данных методов отражены в ГОСТ 23887-79:
- сборка с полной взаимозаменяемостью;
- сборка с неполной взаимозаменяемостью;
- сборка с групповой взаимозаменяемостью;
- сборка с пригонкой;
- сборка с регулированием;
- сборка с компенсирующими материалами.
Особенностью перечисленных методов осуществления сборки является их нацеленность на получение разными способами заданного уровня точности геометрических параметров, как отдельных деталей, так и их совокупности. На основе данных методов, как правило, выполняется расчт точности ряда геометрических параметров и на основании полученных данных строится процесс сборки. При этом механизм прямого соотнесения между собой фактических значений параметров отдельных деталей и выходных параметров изделия (узла, машины) при применении “традиционных” методов сборки не используется. В практическом смысле такой подход не предполагает активного вмешательства в сборочный процесс. В связи с этим описанные методы сборки можно отнести к пассивным.
Рассмотренный набор методов в технологии машиностроения долгое время воспринимался как полный и окончательный. Однако со временем стало очевидно, что возможности его применения ограничены. Развитие техники и соответственно расширение потребностей производства привело к появлению новых способов построения и выполнения сборочных операций. Как правило, такие способы уже не носят всеобъемлющий характер. Они приспособлены для решения узкого круга задач и во многих случаях рассматриваются на примере определнных изделий. Так разработаны и применяются следующие способы:
- сборка с компенсирующими материалами и оптимизированным подбором пригоночных деталей [49];
- виртуальная сборка [35];
- индивидуальная сборка по фактическим размерам [60];
- сборка методом индивидуальной селекции по действительным значениям выходного параметра качества узла [61];
- сборка с учтом физических параметров [62];
- сборка по заданной системе координат исполнительного механизма [21];
- сборка с внутренней компенсацией реакций избыточных связей [56].
Все перечисленные методы по воздействию на сборочные параметры можно отнести к группе активных. Они предполагают учт определнных реальных характеристик детали и активное вмешательство в сборочный процесс. Так в работе Осетрова В.Г. рассмотрен ряд возможных применений компенсирующих материалов. Отклонения деталей, возникшие в процессе механической обработки, могут нарушить условия собираемости узла. Применение компенсирующих материалов в ряде случаев позволяет нейтрализовать или уменьшить влияние погрешностей механической обработки деталей. Подбор и использование конкретного компенсирующего материала выполняется в зависимости от состава и свойств собираемого узла, а также целей, которые ставятся в ходе реализации сборочного процесса.
Виртуальная сборка позволяет производить оптимизацию точностных параметров и проверять собираемость отдельных узлов и машин с помощью трхмерных моделей на базе CAD-систем. В качестве исходных данных используются фактические значения параметров деталей. С помощью средств вычислительной техники выполняется предварительная компоновка узла. В результате становится очевидным фактическое расположение и взаимодействие деталей в узле. На основании данных моделирования можно выполнить оптимизацию свойств узла путм изменения некоторых параметров (относительного углового положения деталей). В результате работы с компьютерной моделью возникает законченный набор данных позволяющих собрать изделие с определнным набором свойств. Описанный способ реализует оптимизацию математических моделей собираемости применительно к роторным узлам газотурбинных двигателей. В качестве основного критерия был принят минимальный дисбаланс роторного узла.
Индивидуальная сборка по фактическим параметрам предполагает проведение сборочных процессов для изделий, которые изготавливаются и собираются в условиях компьютеризированного производства. В условиях такого производства параметры деталей, достигнутые на этапе механической обработки, устанавливаются средствами технического контроля и хранятся в заданной форме с помощью средств электронно-вычислительной техники. В дальнейшем при подготовке сборочных процессов на основе банка данных параметров деталей производится их сортировка. Целью сортировки деталей является обеспечение требуемых параметров соединений (посадок) при сборке.
Сборка методом индивидуальной селекции по действительным значениям выходного параметра качества узла разрабатывалась с целью эффективного прогнозирования и обеспечения на этапе сборки параметров, связанных с параметрами наджности узла. В качестве таких параметров были приняты характер и скорость износа реальных контактирующих поверхностей. Исходя из технических требований, предъявляемых к узлу, определяется предельное допустимое состояние той или иной рабочей поверхности. Таким образом, сопоставляя данные о фактической вычисленной скорости износа рабочей поверхности и допустимых значениях износа можно прогнозировать ресурс узла.
С помощью выбора параметров деталей также возможно в некоторой степени управлять ресурсом узла. В качестве объектов применения такого способа сборки были рассмотрены шарнирные узлы. Авторами способа было установлено, что при его применении на производстве ресурсная наработка шарнирных узлов увеличивается в несколько раз.
Метод сборки с учтом физических параметров был предложен для прецизионных деталей некоторых агрегатов. При сборке таких агрегатов особую роль играют механические характеристики деталей, входящих в их состав. В ряду механических параметров был выбран наиболее значимый - жсткость. Жсткость отдельных деталей на этапе сборки трансформируется в сборочные деформации.
На основе изучения и учта сборочных деформаций делается вывод о потенциально достигаемой точности собранного узла.
Сборка по заданной системе координат исполнительного механизма машины разрабатывалась в работах учных А.Д. Харта, А. Слокама, П. Уилоби (Технологический институт штата Массачусетс, США). Объектом изучения являлись кинематические связи, входящие в конструкцию промышленных роботов (ABB). В качестве критерия взаимозаменяемости при сборке была взята достигаемая точность положения и перемещения инструмента, закреплнного в руке робота, в рабочей системе координат. Данная система координат была соотнесена с системами координат узлов робота, образующих кинематические пары. В свою очередь положение систем координат элементов кинематических пар напрямую зависит от погрешностей, возникших при их изготовлении. При сборке каждой пары происходит взаимодействие данных погрешностей, в результате чего во всех случаях происходит смещение результирующей системы координат пары относительно номинального положения. Вследствие этого смещается и номинальная точка положения инструмента. С целью учта характера и результата взаимодействия производственных погрешностей на работу робота американскими учными была создана модель, основанная на вычислении матриц преобразования с учтом результатов измерения деталей кинематических пар робота перед их сборкой. С помощью указанной модели был выработан подход к сборке кинематических пар промышленного робота, обеспечивающий максимальную повторяемость по точности воспроизведения установленной системы координат исполнительного механизма (руки робота).
В основе способа сборки с внутренней компенсацией негативных избыточных связей лежит положение о нарушении теоретических схем базирования при сборке. Для теоретических схем характерна идеализация поверхностей, образующих рассматриваемую деталь. Однако во всех случаях детали, прошедшие механическую обработку, имеют реальные поверхности, возникшие вследствие неизбежных погрешностей. Таким образом, теоретическая схема базирования деталей при сборке не может адекватно описывать положение деталей, возникшее при взаимодействии их поверхностей. В собранном узле появляются дополнительные (избыточные) связи. Некоторые из этих связей оказывают вредное воздействие на эксплуатационные характеристики узла.
Уменьшение такого воздействия можно осуществить путм компенсации избыточных связей при осуществлении сборочного процесса.
1.3 Анализ состояния рассматриваемой научной проблемы применительно к Основным объектом исследования в диссертационной работе являются топливодозирующие устройства ГТД – авиационные топливные форсунки ФРДС. Данные форсунки служат для подачи топлива в камеру сгорания авиационных двигателей семейства Д-30 КУ/КП. На каждый двигатель устанавливается комплект из двенадцати форсунок. Двигатели семейства Д- КУ/КП предназначены для установки на самолты Ил-62М, Ту-154М, Ил-76, Ил-78, А-50. Несмотря на то, что данные двигатели выпускаются достаточно давно, в настоящее время вопросы, связанные с их производством и ремонтом, являются актуальными. Общий парк авиадвигателей Д-30 КУ/КП всех модификаций составляет более 2000 единиц. Проводятся работы по модернизации и выпуску новых модификаций данного двигателя (Д-30КП-2, Д-30КП- «Бурлак», Д30КУ-154 III и IV серия) [55]. Кроме того, после окончания лтного ресурса двигатели могут быть отремонтированы и переоборудованы в наземные энергетические установки ГТД 6/8РМ.
Форсунка ФР-40ДС согласно общепринятой классификации (рисунок 1.1) является центробежной По конструктивному исполнению она двухконтурная, двухсопловая.
Рисунок 1.1 – Классификация форсунок для распыливания жидкостей Форсунка ФР-40ДС состоит из следующих основных узлов и деталей (рисунок 1.2): стакан 1, кольцо 2, распылитель II контура 3, распылитель I контура 4, переходник 5, контровка 6, гайка 7, корпус форсунки 8, штуцер I контура 9, фильтр I контура 10, замок фильтра I контура 11, замок фильтра II контура 12, контровка 13, штуцер II контура 14, фланец 15, кожух стакана 16, головка корпуса форсунки 17, фильтр II контура 18, теплоизоляционный кожух 19.
Отверстия и полости (Д, Е) между стаканом 1 и кожухом стакана 16 служат для прохождения охлаждающего воздуха при работе форсунки в двигателе.
Топливо, поступающее к форсунке, проходит фильтры, каналы А, Б в корпусе форсунки, отверстия в переходнике и через тангенциальные пазы распылителей I поступает в завихрительные камеры, в которых под действием центробежных сил приобретает закрутку и, выходя через сопла в виде полого конуса, распыливается.
Основными выходными характеристиками топливной форсунки являются физические параметры создаваемого е распылнного потока топлива. К данным характеристикам относят:
- расход топлива R – объм топлива поступившего из форсунки при определнном рабочем режиме за одну минуту, л/мин;
- неравномерность распыла - характеристика, показывающая разность между количеством топлива, попавшим в разные секторы поперечного сечения факела распыла, %;
- угол конуса распыла – угол между крайними границами факела, град;
- качество распыла – безразмерный параметр, характеризующий гранулометрический состав факела распыла.
Установление фактических значений эксплуатационных параметров форсунки производится путм проведения испытаний собранных форсунок на специализированных установках. Фактические значения выходных характеристик форсунки оказывают значительное влияние на функционирование газотурбинного двигателя. В особой мере, от свойств форсунок зависит качество работы камеры сгорания двигателя, которое определяется: неравномерностью температурного поля на выходе из камеры сгорания, полнотой сгорания топлива, экологическими характеристиками камеры сгорания [31, 32].
Неравномерность температурного поля на выходе из камеры сгорания возникает ввиду неидентичности температурных полей, создаваемых каждой единичной форсункой. Данное явление возникает, главным образом, вследствие отклонений в параметрах расхода топлива, неравномерности распыла, качества распыла (гранулометрической структуры факела распыла) форсунок, входящих в состав комплекта, установленного на двигателе. Особое значение данное явление имеет для двигателей с трубчатой или трубчато-кольцевой камерой сгорания.
Поле температур газа в выходном сечении А-А (рисунок 1.3) камеры сгорания определяется по результатам е испытаний с помощью устанавливаемой на выходе поворотной гребнки, по высоте которой расположено 5 – 7 термопар.
Замеренные каждой термопарой величины ТА-А на определнном радиусе hi строятся в виде развртки по оси абсцисс. В рассматриваемом примере взят средний радиус камеры сгорания hср. Для каждого радиуса hi определяются максимальная Tmaxi, минимальная Tmin i и средняя Tср температуры. На кольцевой диаграмме температурного поля: 1 – 1495 К, 2 – 1390 К, 3 – 1295 К, 4 – 1200 К.
Из рисунка видно, что максимальная температура газа Tmax на среднем радиусе hср выше е среднего значения на данном радиусе на 200 – 250 К. С учтом такого превышения рассчитывают на прочность сопловые лопатки турбины, так как на каждую лопатку действует не среднемассовая, а действительная температура газа в данной точке пространства [31, 32].
Рисунок 1.3 – Температурное поле камеры сгорания ТРДД (а) и график распределения температур по высоте лопатки (б) Отличная от среднемассовой максимальная температура Tmax является ограничивающим фактором для повышения КПД и мощности ГТД, так как они сопряжены с ростом температуры горения и коэффициента повышения давления.
Данные тенденции носят общемировой характер и определяют жсткую конкуренцию между ведущими производителями ГТД (рисунок 1.4) [39].
Рисунок 1.4 – Мировые тенденции развития газотурбинной техники Факты повреждения деталей ГТД вследствие высокой неравномерности температурного поля на выходе из камеры сгорания были установлены многолетней практикой производственных и ремонтных предприятий.
Исследования, проведенные на ОАО НПО “Сатурн”, выявили появление температурных повреждений лопаток соплового аппарата и жаровых труб ГТД авиационного назначения при повышенной неравномерности температурного поля на выходе из камеры сгорания (рисунок 1.5).
Рисунок 1.5 – Термические повреждения деталей ГТД вследствие повышенной неравномерности температурного поля на выходе из камеры сгорания По данным производственного предприятия ООО “Турбинаспецсервис” (г. Уфа) наиболее типичными видами повреждений направляющих лопаток, вызванных неравномерностью температурного поля при длительной эксплуатации, являются:
- термоусталостные, в результате которых образуются трещины на кромках, а в отдельных случаях разрушение части лопаток попадающие в проточную часть турбины (рисунок 1.6);
- изменение структуры (перегрев) материала лопаток;
- выгорание кромок лопаток (рисунок 1.6).
Рисунок 1.6 – Термоусталостные трещины и выгорание кромки Полнота сгорания топлива показывает отношение количества тепла, подведнного к воздушному потоку в камере сгорания, к располагаемой (химической) энергии топлива, внеснного в двигатель. Численное значение полноты сгорания топлива характеризуется коэффициентом выделения теплоты Г, определяемым по формуле [31, 32]:
где Gвг – фактический расход воздуха, проходящего через камеру сгорания;
GT – теоретический расход воздуха, необходимый для сгорания топлива;
НИ – удельная теплота сгорания топлива;
Q1 – тепло, подведнное к 1 кг воздуха;
Q0 – располагаемая энергия внеснного в двигатель топлива в расчте на 1 кг воздуха.
Полнота сгорания топлива определяется составом и параметрами топливной смеси, подаваемой в камеру сгоранию двигателя. Состав топливной смеси зависит от соотношения двух е компонентов – горючего (топлива) и окислителя (воздуха). Топливные форсунки, устанавливаемые на двигатель, в большинстве случаев, имеют значительное различие по параметрам расхода топлива. В связи с этим может происходить нарушение состава смеси, и, как следствие, снижение эффективности работы двигателя. Полнота сгорания топлива влияет на характеристики камеры сгорания оцениваются по величинам концентрации вредных веществ в продуктах сгорания. Основную долю в них составляют:
атмосферный азот N2 и кислород O2, продукты полного окисления топлива CO2 и H2O, промежуточные продукты типа CH4, C2H4, продукты неполного окисления CO, CH2O и диссоциации. В малом количестве присутствуют окислы азота NOX и серы, цианистые соединения, амины, альдегиды, а также сажа в виде частиц углерода, образующих дым, и большая гамма (в микроконцентрациях) полициклических ароматических углеводородов. В мировой практике авиадвигателестроения имеется тенденция к постоянному ужесточению норм, регламентирующих экологические характеристики двигателей. Наибольшее значение имеют нормы эмиссии авиадвигателей, устанавливаемые международной организацией гражданской авиации (ИКАО). Нормируемыми параметрами эмиссии являются СО, НС, NOx, SN. Так как образование вредных веществ напрямую зависит от протекания процессов горения топлива, то снижению уровня вредных веществ в продуктах сгорания, как и в случае с параметром полноты сгорания топлива, способствует повышение стабильности расхода и качества распыливания топлива форсунками.
значительные колебания выходных параметров готовых узлов, а также высокая трудомкость процесса сборки. Для собранных форсунок, допускаемых к постановке на изделие, были проанализированы данные (таблица 1.1), полученные путм их гидравлических испытаний.
Таблица 1.1 – Фактические значения выходных параметров форсунок Окончание таблицы 1. Испытания проводились по нескольким количественно характеризуемым параметрам (расход топлива R, неравномерность распыла, угол конуса распыла ). Данные параметры определялись для двух основных режимов работы форсунки: работа первой ступени при расчтном давлении топлива (PТ = 2 ± 0, МПа), совместная работа обоих ступеней форсунки при аналогичном давлении топлива. Изучение полученных производственных сведений выполнялось с помощью сертифицированной компьютерной программы MINITAB®, реализующей статистические процедуры обработки данных. В качестве объектов были выбраны параметры расхода топлива и неравномерности распыла, поскольку они в наибольшей степени влияют на качество работы авиадвигателя.
В качестве первого средства анализа был выбран график типа “boxplot”. Он позволяет определить стабильность рассматриваемого процесса в продолжительном периоде времени. “Boxplot” - диаграммы, полученные при анализе указанных служебных параметров форсунок комплектов, представлены на рисунках 1.7, 1.8.
Рисунок 1.7 – “Boxplot” диаграммы для параметра расход топлива Рисунок 1.8 – “Boxplot” диаграммы для параметра неравномерность распыла топлива изготовления. На полученных диаграммах видно, что среднее значение (символ ) для параметров расход топлива I ступень, неравномерность распыла I ступень испытывает значительное отклонение при переходе от партии к партии. На диаграмме расход топлива I + II ступень имеется шесть “выбросов” (символ *), представляющих собой ряд значений резко выделяющихся в своих выборках. Возникновение данных отклонений указывает на действие особых возмущающих факторов. Подобные факторы, как правило, не учитываются при организации и управлении процессом и носят случайный характер. В целом результаты анализа указывают на низкую стабильность изучаемого процесса.
Для дополнительной оценки существующего процесса изготовления форсунок были построены диаграммы разброса для параметров расхода топлива I и I+II ступеней первого комплекта форсунок (рисунок 1.9). Диаграмма разброса для параметра расход топлива I ступени указывает на то, что все его значения расположены значительно выше линии RIср изображающей середину поля допуска для данного параметра и примыкают к верхней границе поля допуска параметра RImax. При этом параметр испытывает колебания, не позволяющие выявить какую рассматриваемой партии происходит не полностью. Диаграмма разброса для второго параметра: расход топлива I + II ступени указывает на значительное рассеивание изучаемого параметра. При этом пять из двенадцати значений образом, статистический анализ производственного процесса по служебным детерминированность и управляемость.
Существующий технологический маршрут сборки топливной форсунки может быть упрощнно представлен в табличном виде (таблица 1.2).
Непосредственно сборочные операции занимают относительно небольшой объм в техпроцессе (приблизительно 8 %). В процессе реализации данных операций производится соединение в установленной последовательности и закрепление деталей форсунки. Вспомогательные операции составляют более % содержания техпроцесса сборки.
Рисунок 1.9 – Графики разброса выходных параметров форсунки Таблица 1.2 - Схема существующего техпроцесса сборки топливной форсунки Наибольший объм среди таких операций составляют контрольные и испытательные операции, после которых выполняются многократные доработки форсунок и их повторные испытания.
Определнный интерес с точки зрения технологического обеспечения выходных характеристик форсунок представляют существующие технологические процессы изготовления деталей распылительного пакета. Все они также являются типовыми. В типовой технологический процесс входит 30- различных операций. Все основные операции можно разделить на несколько групп.
1 Операции лезвийной обработки. В технологическом процессе являются основными формообразующими и включают в себя несколько видов обработки:
точение, фрезерование, сверление. Вся лезвийная обработка разбита на 6- выполняются на различных типах станков (50 % - станки с ЧПУ, 50 % универсальное оборудование).
2 Шлифовальные операции. Служат для окончательной обработки шлифования: круглое, плоское и бесцентровое. Суммарная трудомкость данных операций составляет около 20 % технологического процесса.
Обеспечивают корректировку большого набора геометрических параметров деталей после механической обработки. Выполняются вручную слесарным инструментом, либо с помощью простых приспособлений. Результат выполнения данных операций напрямую зависит от индивидуального опыта и квалификации исполнителя. Вместе с тем объм данных операций в технологическом процессе достаточно велик и составляет 44 - 47 %, что обусловлено их высокой трудомкостью.
происходит появление бракованных деталей распылительного пакета (в среднем около 8-10 бракованных деталей на 100 изготовленных).
Для восьми типовых комплектов форсунок был выполнен анализ количества дорабатываемых форсунок в каждом комплекте. Результат анализа представлен в таблице 1.3. Каждая операция доработки включает в себя разборку форсунки, доработку слесарным инструментом деталей форсунки, промывку деталей, сборку форсунки.
Согласно технологической документации предполагается выполнение до трх операций доработки форсунок, однако приблизительно в 50 % случаев их число превышает три и может достигать пяти, шести операций. При выполнении операций доработки требуется высокая индивидуальная квалификация и опыт исполнителя.
Таблица 1.3 – Количество доработанных форсунок в производственных комплектах Номер комплекта Количество доработанных Доля доработанных Для трх комплектов форсунок (36 единиц), взятых из производственного потока, был выполнен анализ количества доработок, проводимых до достижения заданных значений выходных параметров. Каждая операция доработки приводит к увеличению себестоимости готовой форсунки вследствие повышения общей трудомкости, дополнительных затрат энергии, топлива и т.п. Результаты анализа представлены в виде графика на рисунке 1.10.
Число доработок каждой форсунки Рисунок 1.10 – График числа доработок форсунок в пределах типовой партии распылитель II контура. При каждом цикле сборки/разборки форсунки происходит повреждение посадочных поверхностей деталей форсунки, что может привести к потере требуемых свойств сопряжений е деталей. Кроме того, происходит значительное удлинение технологического цикла изготовления форсунки.
Для устранения описанных проблем на существующем производстве проводился ряд мероприятий. К таким мероприятиям могут быть отнесены:
- конструктивные изменения форсунки и е деталей;
- повышение точности геометрических параметров деталей форсунок;
- частичная формализация процесса доработки деталей.
С технологической точки зрения наибольший интерес представляют второе и третье мероприятия. Объектами, на которые были обращены данные мероприятия, являются детали распылительного пакета форсунки: переходник, распылитель I контура, распылитель II контура (рисунки 1.11, 1.12, 1.13).
Рисунок 1.11 – Геометрические параметры детали “Переходник” Рисунок 1.12 - Геометрические параметры детали “Распылитель I контура” Рисунок 1.13 - Геометрические параметры детали “Распылитель II контура” В производственной практике точность геометрических параметров некоторых деталей повышалась несколько раз. В качестве критерия оценки уровня точности различных по природе параметров можно использовать условный коэффициент точности КТ,вычисляемый по формуле [56]:
где TD – допуск рассматриваемого параметра;
Dном – номинальное значение рассматриваемого параметра.
На основании имеющихся данных с помощью коэффициента КТ был выполнен сравнительный анализ уровней точности некоторых важных геометрических параметров деталей распылительного пакета при поэтапном уменьшении допусков и выходных параметров форсунки, допуски на которые не корректировались. Результат анализа представлен в таблице 1.4.
Таблица 1.4 – Сравнение уровней точности физических и геометрических параметров форсунки Неравномерность распыла топлива при PT = 2 ± 0, МПа, I ст., % Неравномерность распыла топлива при PT = 2 ± 0, МПа, I+II ст., % Угол конуса распыла при PT = 2 ± 0,01 МПа, I ст., физический 9, Угол конуса распыла при PT = 2 ± 0,01 МПа, I+II ст., физический 8, Расход топлива при PT = 2 ± 0,01 МПа, I ст., л/мин физический 5, Первоначальные допуски на размеры Глубина тангенциального паза распылителя II контура 0,95+0,18 мм Радиус (вычисленный через диаметр по чертежу) камеры закручивания распылителя I ступени 2,25+0,07 мм Диаметр сопла распылителя I ступени 0,8 +0,04 мм геометрич. 5, Диаметр отверст. в детали “Стакан” 14,7 + 0,14 +0,015 мм геометрич. 0, Диаметр сопла распылителя II ступени 3,8 +0,045 мм геометрич. 1, Наружный диаметр распылителя I ступени 14,7 -0, Наружный диаметр детали “Переходник” 14,7 -0,05 мм геометрич. 0, Окончание таблицы 1. Окончательные допуски на размеры Глубина тангенциального паза распылителя II контура 0,95+0,1 мм Радиус (вычисленный через диаметр по чертежу) камеры закручивания распылителя I ступени 2,25+0,04 мм Диаметр сопла распылителя I ступени 0,8 +0,01 мм геометрич. 1, Диаметр отверст. в детали “Стакан” 14,7 + 0,07 +0,015 мм геометрич. 0, Диаметр сопла распылителя II ступени 3,8 +0,013 мм геометрич. 0, Наружный диаметр распылителя I ступени 14,7 -0, Наружный диаметр детали “Переходник” 14,7 -0,012 мм геометрич. 0, Данные, приведнные в таблице 1.4, показывают, что точность основных геометрических параметров деталей форсунок в технологической практике была повышена в несколько раз.
С целью частичной формализации процесса доработки деталей в технологию сборки были включены следующие требования:
- расчетное количество доработок форсунки – 3 (три);
- поэтапный контроль и, при необходимости, доводка форсунки по каждому параметру в отдельности (рассматриваются параметры: расход топлива I ст., расход топлива I+II ст., неравномерность распыла топлива I ст., неравномерность распыла топлива I+II ст.);
- геометрические параметры, на которые рекомендуется направлять механическое воздействие при доводке форсунки по конкретному параметру.
Внедрение перечисленных требований оказало положительное влияние на организационный аспект осуществления технологического процесса сборки форсунок. Однако суть технологической проблемы так и не была раскрыта. В связи с этим лишь около 60 % форсунок укладываются в расчтное количество доработок.
Для уточнения причины возникновения отклонений выходных параметров выполнялся специальный эксперимент. Из трх серийных партий было произвольно отобрано по три готовые форсунки. Каждая из девяти форсунок была разобрана, а затем без перемешивания деталей с соседними форсунками собрана без какого-либо ориентирования деталей и испытана при работе обоих ступеней форсунки одновременно. Такая процедура повторялась два раза. Результаты эксперимента приведены в таблице 1.5.
Таблица 1.5 – Результаты эксперимента с многократной сборкой форсунок гидравлические параметры форсунок при их переборке без замены или доработки деталей испытывают заметные колебания. Процедуры сборки, разборки и доводки проводились одним и тем же обученным исполнителем (для максимальной степени воспроизводимости).
Все проанализированные производственные данные указывают, что основным источником описанных проблем производства форсунок являются недостатки процесса их сборки.
Существующий процесс сборки топливных форсунок изначально был ориентирован на метод полной взаимозаменяемости. Однако внедрить на практике такой метод не удалось ввиду того, что при обеспечении геометрической взаимозаменяемости (собираемости) узла выходные параметры не соответствовали установленным техническим требованиям. В связи с этим, сборочный процесс был на нормативном уровне переведн на метод пригонки.
Как было отмечено ранее, такой метод обладает длительным периодом реализации и высокими затратами. Другие стандартизованные методы также не могут быть применены для построения процесса сборки форсунок. Причиной является их нацеленность на получение разными способами заданного уровня точности только геометрических параметров, как отдельных деталей, так и их совокупности.
Анализ производственных сведений показывает, что топливная форсунка ГТД обладает специфическими выходными параметрами и особым физическим механизмом их формирования. В связи с этим применение прикладных способов сборки, описанных в различных литературных источниках, не является возможным. Для топливных форсунок необходимо разработать особый способ сборки.
Цель работы. Повышение эффективности сборки топливных форсунок ГТД путм учета зависимости между функциональными параметрами деталей распылительного пакета и качеством функционирования узла.
Для достижения цели в работе решались следующие задачи:
обеспечению качества сборки форсунок ГТД;
взаимозаменяемости для решения проблемы эффективности изготовления форсунок;
- исследование взаимосвязи функциональных параметров деталей и выходных параметров форсунки;
- разработка аналитической модели взаимосвязи геометрических параметров деталей и выходных параметров центробежной топливной форсунки ГТД и математических моделей, определяющих формирование функциональных параметров форсунки при сборке;
- разработка метода функционально-ориентированной сборки форсунок и алгоритма его реализации.
1 В научной литературе приводится ряд стандартизованных и прикладных способов сборки машиностроительных изделий. Данные способы не могут быть применены для экономически эффективной сборки топливных форсунок ГТД, так как не имеют специальных механизмов учта особенностей их конструкции и физических принципов действия.
2 Выходные параметры топливных форсунок оказывают значительное влияние на эксплуатационные показатели ГТД (ресурс, КПД, экологические параметры). Отклонения выходных параметров могут привести к повреждению и разрушению деталей и узлов ГТД.
Высокая степень точности геометрических параметров деталей распылительного пакета не обеспечивает стабильность и наджность обеспечения выходных параметров форсунок. Результаты исследований и экспериментов доказывают, что причина значительного разброса выходных параметров заключается в несовершенстве процесса сборки.
4 В существующем процессе сборки топливных форсунок достижение требуемых выходных параметров обеспечивается многократными операциями по доводке деталей вручную.
ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ТОЧНОСТИ
ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДЕТАЛЕЙ И ВЫХОДНЫХ
ПАРАМЕТРОВ ТОПЛИВНОЙ ФОРСУНКИ ГТД
2.1 Основные понятия в концепции функциональной взаимозаменяемости В научной литературе существует несколько основных определений функциональной взаимозаменяемости. Наиболее разврнутое определение было дано проф., д.т.н., А.И. Якушевым: взаимозаменяемость, при которой обеспечивается работоспособность изделий с оптимальными и стабильными (в заданных пределах) во времени эксплуатационными показателями или с оптимальными показателями качества функционирования для сборочных единиц и взаимозаменяемость их по этим показателям, называют функциональной.И.В. Дунин-Барковский определил функциональную взаимозаменяемость как метод обеспечения заданных эксплуатационных показателей однотипных изделий путм установления допустимых отклонений на их функциональные параметры, определяющие успешность выполнения ими заданных функций.
Современными учными также приводится ряд определений данного понятия. Рассмотрение понятия функциональной взаимозаменяемости как характеристики изделия приводится М.Ф. Кочевой [11]. Согласно е определению функциональная взаимозаменяемость – это свойство изделий одного или различного конструктивно-технологического исполнения выполнять функции в соответствии с требованиями нормативно-технической документации без доработки или подгонки. Наиболее краткое определение приводится в работе Н.М. Шоломова [11], согласно которому функциональная взаимозаменяемость – это взаимозаменяемость изделий по оптимальным эксплуатационным показателям.
Таким образом, каждое из определений адаптировано к сфере своего применения. При разработке путей применения концепции функциональной взаимозаменяемости в технологии машиностроения наиболее точным определением является определение И.В. Дунина-Барковского. Данное определение направлено на раскрытие сущности концепции функциональной взаимозаменяемости в е практическом, прикладном смысле.
Функциональная взаимозаменяемость изделий или их отдельных частей не предполагает проведение пригоночных операций, регулировок, расширения полей допусков и т.п. По своей сути она является комплексным методом стандартизации, позволяющим увязывать между собой показатели качества изделий с соответствующими показателями качества составных частей и материалов, обеспечивать совместимость изделий по основным свойствам.
Основными свойствами любого окончательно готового изделия являются его эксплуатационные показатели, т.е. показатели качества, характеризующие способность выполнения изделием заданных функций. В общем случае выход величины эксплуатационного показателя за допустимые границы служит критерием наступления предельного состояния (отказа) изделия.
Эксплуатационные показатели качества изделий зависят от значений и колебания функциональных параметров. Функциональный параметр – это параметр изделия, его составных частей и условий эксплуатации, изменение которого влияет на эксплуатационные показатели. В зависимости от физического принципа действия изделия функциональные параметры также могут иметь различную природу.
Примером функционального параметра может служить зазор между корпусом и зубчатыми колсами шестернного насоса. От величины данного параметра напрямую зависит объмная производительность насоса. Для металлорежущего оборудования функциональными параметрами могут служить жсткость деталей и узлов, вибростойкость, упругие и пластические деформации, возникающие вследствие действия сил резания, дисбалансов вращающихся частей, свойств смазочных материалов и т. п. Воздействие погрешностей функциональных параметров может проявляться независимо, либо в связи с другими параметрами.
Например, упругие свойства пружин и мембран приборов зависят не только от физико-механических свойств материала исходной проволоки или ленты, но и от непостоянства диаметра проволоки и толщины ленты.
Функциональная взаимозаменяемость направлена на повышение качества функционально завершнных объектов производства. К подобным объектам относятся как окончательно готовые машины, так и некоторые их узлы.
Критерием применимости концепции функциональной взаимозаменяемости к определнному узлу служит его способность самостоятельно выполнять какиелибо функции, либо проявлять определнные значимые свойства.
Количественные либо качественные характеристики таких функций могут быть определены до постановки узла на изделие. Характеристики узла выступают с одной стороны в роли его эксплуатационных показателей как функционально законченного изделия, а по отношению к машине являются функциональными параметрами. Детали, как элементарные неделимые элементы изделия также в зависимости от своего служебного назначения обладают определнными функциональными параметрами по отношению к узлу или машине.
Математическая модель функциональной взаимозаменяемости представляет собой комплекс аналитических зависимостей, заданных в виде уравнений, графиков, алгоритмов, матриц, массивов числовой информации или с использованием других формализованных методов, которые достоверно и исчерпывающе полно описывают эксплуатационные показатели изделия в зависимости от всех возможных в реальной практике вариаций соответствующих функциональных параметров.
Топливная форсунка может рассматриваться в качестве узла, обладающего законченными физическими эксплуатационными показателями. Значения данных показателей могут быть достоверно установлены до постановки узла на изделие.
В связи с этим эксплуатационные показатели могут быть взяты в исследовании за основу с целью определения функциональных параметров деталей и разработки способа, алгоритма и методики эффективной сборки форсунок.
2.2 Классификация функциональных параметров изделий машиностроения Принцип функциональной взаимозаменяемости предполагает наличие у любого объекта машиностроительного производства комплекса свойств, определяющих его пригодность для замены на аналогичный объект. В общем случае выделяют три группы объектов машиностроения: детали, узлы (сборочные единицы), машины. Объекты каждой группы обладают определнным набором параметров.
Объекты первой и второй групп (детали и узлы) с точки зрения функциональной взаимозаменяемости характеризуются функциональными параметрами. Функциональные параметры узла могут также называться служебными параметрами узла. Детали обладают свойствами, характеризующими их состояние как изолированного материального объекта. При этом важно, чтобы данные свойства формировались в соответствие с требуемыми свойствами объектов более высокого порядка. Набор функциональных параметров детали позволяет наиболее полно оценить е пригодность для постановки в узел (сборочную единицу), а также степень е влияния на параметры узла [11].
Основными функциональными параметрами деталей являются: геометрические, физико-механические, химические.
Геометрическими функциональными характеристиками деталей являются параметры, описанные в первой главе диссертации. Функциональные геометрические параметры деталей могут совпадать, либо не совпадать с их конструкторскими параметрами. К физико-механическим функциональным параметрам деталей относятся упругие и пластические свойства, прочность, поверхностного слоя детали. Данные свойства характеризуют состояние детали под действием внешних силовых и тепловых нагрузок. Третью группу функциональных параметров деталей образуют химические параметры.
Химические свойства напрямую зависят от вида, строения и состава материала детали. Проявление химических свойств деталей происходит в течение определнного периода времени под воздействием условий рабочей и/или окружающей среды. Примерами химических функциональных параметров могут служить: коррозионная стойкость, водопоглощение, химическая активность материала детали, специфическое взаимодействие с различными веществами и средами. При осуществлении операций сборки отдельных деталей происходит формирование нового типа объектов - сборочных единиц (узлов). Происходит взаимодействие функциональных параметров деталей и их преобразование в функциональные параметры узла.
Механизм формирования функциональных параметров узла является специфичным по отношению к определнным узлам (группам узлов). Он зависит от служебного назначения, требуемой точности служебных параметров, конструктивных особенностей узла. Основными функциональными параметрами узлов являются их выходные характеристики, которые могут иметь различную физическую природу. Данные характеристики оказывают непосредственное влияние на эксплуатационные показатели машины, в состав которой входит рассматриваемый узел. К функциональным параметрам узлов относятся следующие группы характеристик: размерные, электродинамические, оптические, термодинамические, механические.
Размерные функциональные параметры узлов могут определять основные характеристики изделия и возможность его использования в определнных производственных условиях в случае, если рассматриваемый узел является базовой деталью, либо исполнительным механизмом рассматриваемой машины.
Во многих случаях размерные функциональные параметры узлов (сборочных единиц) определяют геометрическую взаимозаменяемость как возможность постановки на определнную машину. Остальные параметры являются специфическими и определяются физическим принципом действия узла или особенностями функционирования узла.
В данной исследовательской работе рассматриваются узлы дозирования и подачи топлива авиационного ГТД – топливные форсунки. Служебные параметры данного узла, описанные в первой главе работы, являются гидродинамическими и относятся к группе механических функциональных параметров, характеризующих механику сплошных сред. Характерной особенностью форсунок является нелинейная зависимость между некоторыми геометрическими параметрами деталей и служебными параметрами готовой форсунки. Например, уравнение для определения служебного параметра форсунки “расход топлива” имеет следующий вид [56] где G – расход топлива, кг/мин;
dc – диаметр сопла форсунки, мм;
– коэффициент расхода топлива;
– плотность топлива, кг/м3;
pТ – давление топлива, МПа.
Уравнение 2.1 показывает, что между служебным параметром расход топлива G и геометрическим параметром диаметр сопла dc существует нелинейная квадратичная взаимосвязь. Данная связь обуславливает высокую степень влияния точности выполнения размера dc на отклонение служебного параметра G.
К функциональным параметрам узлов (сборочных единиц) также можно отнести режимы их эксплуатации (испытаний). Стабильность данного фактора также способна оказать определнное влияние на точность выходных параметров узла. Для топливных форсунок основными параметрами режима эксплуатации (испытаний) служат давление топлива pТ и плотность топлива.
В третью группу объектов машиностроительного производства входят окончательно готовые изделия (машины). Функциональная взаимозаменяемость для данных объектов определяется их эксплуатационными показателями.
Основными группами показателей являются: параметры наджности, параметры эффективности и производительности, экологические параметры. Графическое представление разработанной классификации объектов машиностроения приведено на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1 – Классификация объектов машиностроения по критерию функциональной взаимозаменяемости функционально-ориентированной сборки топливной форсунки ГТД К понятию системный объект или процесс относятся объекты или процессы любой физической природы, которые можно условно или физически разделить на совокупность более простых, связанных и взаимовлияющих составных частей, которые обладают целостным характером функционирования. Системы обладают новыми свойствами, которые не сводятся к сумме свойств составных частей, и которых нет у отдельных деталей. Данное свойство системы носит название эмерджентность или интегративность. Собранный из отдельных деталей узел представляет собой техническую систему, которая характеризуется новыми свойствами и функциями, которых нет у отдельных деталей. Сложные объекты машиностроения и технологические процессы рассматриваются как технические системы и обозначаются как T-системы. Технические системы имеют несколько входных (x1,x2,…,xn) и выходных параметров (y1,y2,…,yn) и являются многомерными [56]. Схематичное упрощнное изображение такой системы представлено на рисунке 2.2.
В качестве объектов системного анализа примем процесс сборки топливной форсунки и саму топливную форсунку как узел. Это взаимодействие может состоять в передаче вещества, энергии, информации или комбинации этих элементов.
Топливная форсунка как объект сборки может рассматриваться в качестве сложной системы Tsc2 (2-го порядка), состоящей из набора составных частей (деталей) N = 17, имеющих индексы Ts1 – Ts17, часть из которых образует два подузла первого порядка Ts1c1, Ts2c1. Каждый из данных элементов обладает множеством входных (X) и выходных (Y) параметров. Тип параметров каждого элемента зависит от его уровня в системе и соответствует целевому назначению элемента. Выходные параметры (Y) являются функциональными и соответствуют классификации, разработанной в п. 2.2.
Особенностью сборочного процесса топливной форсунки является его мнимая управляемость и очевидность. Это приводит к упрощнному восприятию сборки форсунки как этапа производства, на котором происходит чисто механическое соединение отдельных деталей, прошедших механическую и термическую обработку. Однако при сборке такой сложной технической системы как топливная форсунка имеет место большое количество функционально связанных и коррелированных параметров на входе и выходе системы.
Недостаточная полнота представлений о структуре и информационной составляющей сборочного процесса приводит к значительному разбросу многих показателей качества форсунки, длительному сроку доводки и снижению эффективности производства. В связи с этим при рассмотрении процесса сборки форсунки в качестве системы появляется необходимость выделения в составе входных параметров (Xn) двух групп.
В первую группу входят параметры (X1 – X4), которые учитываются, нормируются и контролируются в текущем технологическом процессе. Вторую группу составляют параметры (X5 – X7), которые можно охарактеризовать как “непознанные”. Они не входят в существующую систему входных данных сборочного процесса форсунки, их значения не устанавливаются и в связи с этим они являются причиной появления значительного разброса служебных параметров готовых форсунок.
Рисунок 2.3 – Системное представление топливной форсунки ФР-40ДС как объекта сборки Результатом (выходными параметрами) сборочного процесса являются служебные параметры форсунки (Y1 – Y4), определяющие е пригодность к постановке на изделие. Вместе с этим на процесс в ходе его реализации действуют два основных возмущающих фактора (G1,G2): квалификация исполнителя и состояние технических средств обеспечения процесса. Наиболее сложным возмущающим фактором процесса сборки форсунок является квалификация исполнителя, выполняющего сборку и доработку форсунки. Опыт, получаемый исполнителем в процессе многократной реализации сборочного процесса, во многих случаях сводится к усвоению эффективных методов доработки деталей и ориентировочной величине снимаемых припусков. Данный возмущающий фактор не поддатся формализации и имеет достаточно высокую степень влияния на процесс вследствие наличия упомянутых ранее “непознанных” входных параметров системы (X5 – X7). Возмущающий фактор G2 регламентирован требованиями технологии, а также рядом дополнительных нормативно-технических документов. Его действие является детерминированным и не оказывает существенного влияния на процесс сборки. Общая схема рассмотрения процесса сборки топливной форсунки как технической системы приведена на рисунке 2.4.
Системный анализ процесса сборки топливной форсунки показывает, что при разработке средств его оптимизации основной задачей является изучение входных (исходных) параметров данного процесса, относящихся к группе “непознанных”. Создание механизма учта параметров указанной группы в процессе проектирования технологического процесса сборки топливной форсунки позволит повысить уровень детерминированности процесса и уменьшить влияние на него внешних возмущающих факторов.
Рисунок 2.4 – Системное представление процесса сборки 2.4 Исследование особенностей формирования функциональных Детали, входящие в состав топливной форсунки с точки зрения функциональной взаимозаменяемости характеризуются особыми функциональными параметрами. Как показывают многочисленные исследования наибольшее влияние на служебные параметры форсунки имеют параметры, относящиеся к группе геометрических (рисунок 2.1). Данные параметры деталей форсунки относятся ко всем четырм подгруппам геометрических функциональных параметров деталей: размерным параметрам, параметрам формы и расположения поверхностей деталей (рисунок 2.1). Основной особенностью функциональных геометрических параметров деталей форсунки является их двойственный характер. Все геометрические функциональные параметры деталей форсунки можно условно разделить на две группы: параметры деталей топливного тракта и параметры топливного тракта, образующиеся при сборке форсунки. Параметры деталей топливного тракта присущи только конкретной детали и не зависят от функциональных параметров других деталей, входящих в состав форсунки и контактирующих с рассматриваемой деталью. В данном случае функциональный параметр совпадает с конструкторским параметром детали, указанным в конструкторской документации. Более сложными являются параметры топливного тракта, образующиеся при сборке форсунки. Они образуются в результате взаимодействия между собой геометрических параметров отдельных деталей. При этом каждая из деталей обладает собственными геометрическими параметрами, которые могут изменяться в пределах установленных допусков. Процесс взаимодействия технологических отклонений деталей форсунки при образовании ими топливного тракта является недетерминированным и не учитывается при осуществлении операций сборки в рамках существующего технологического процесса. Кроме того, указанный процесс служит источником возникновения значительных отклонений служебных параметров собранной форсунки.
Топливный тракт форсунки ФР-40ДС образован следующими деталями:
корпус форсунки, переходник, распылитель первого контура, распылитель второго контура.
Параметры каждой детали топливного тракта можно представить в виде обозначениями пункта 2.3 множества значений параметров деталей топливного тракта форсунки можно записать в следующем виде:
где A – множество значений функциональных параметров детали “корпус форсунки”;
a1, a2, a3, an – значения функциональных параметров корпуса форсунки;
“переходник”;
b1, b2, b3, bn – значения функциональных параметров переходника B Ts5;
“распылитель первого контура”;
c1, c2, c3, cn – значения функциональных параметров распылителя первого контура C Ts3;
“распылитель второго контура”;
d1, d2, d3, dn – значения функциональных параметров распылителя второго контура D Ts4.
Выходные параметры готовой форсунки могут также рассматриваться в виде множества их значений ETsc2. Наиболее полно существенные свойства деталей отражают их функциональные параметры. Таким образом, в состав множества ETsc2 могут быть включены рассмотренные множества ATs7, BTs5, CTs3, DTs4, которые в данном случае будут являться подмножествами.
Состав множества ETsc2 не исчерпывается указанными подмножествами, однако они являются определяющими и имеют решающее значение в формировании искомого множества. Все перечисленные множества являются конечными, их взаимосвязь графически представлена на рисунке 2.5.
Функциональные параметры второй группы (параметры топливного тракта) целесообразно определять исходя из особенностей функционирования форсунки.
Основу физического принципа действия форсунки составляют гидравлические законы течения жидкости в замкнутых каналах под давлением без образования свободной поверхности. Наиболее значимыми гидравлическими явлениями в рассматриваемом изделии являются гидравлические сопротивления.
Рисунок 2.5 – Взаимосвязь множеств параметров топливной форсунки Все гидравлические сопротивления, имеющие место в каналах форсунок, можно разделить на две группы: потери на трение по длине канала и местные потери, вызванные такими элементами каналов, в которых вследствие изменения размеров или конфигурации русла происходит изменение скорости потока, отрыв потока от стенок русла и возникновение вихреобразования.
Суммарная потеря напора в каналах форсунки может быть записана в виде формулы [29,58,70] где hп – суммарная потеря напора форсунки;
hпт – сумма потерь на трение в топливных каналах форсунки;
hмп – сумма местных потерь.
Установление взаимосвязи между указанными функциональными параметрами и служебными характеристиками является неотъемлемой частью принципа функциональной взаимозаменяемости в части создания теоретической основы для разработки средств эффективной оптимизации сборочного процесса.
2.5 Изучение взаимосвязи функциональных параметров деталей и служебных параметров топливной форсунки ФР-40ДС В главе I было отмечено, что наиболее значимыми параметрами топливной форсунки при е работе в авиационном двигателе являются расход топлива и неравномерность его распыла по сечению факела. На выходные параметры форсунки оказывают влияние определнные функциональные параметры е деталей. Функциональные параметры деталей могут быть определены на основе расчтов по гидравлическим параметрам, либо на основе имеющихся данных теоретических и экспериментальных исследований. Все функциональные параметры можно разделить на две группы:
- параметры отдельных деталей топливного тракта;
- параметры топливного тракта, образующиеся при сборке форсунки.
При выполнении исследования за предварительный критерий значимости функционального параметра будет принято отклонение выходного параметра более, чем на 5 % при наибольшем и наименьшем значениях функционального параметра.
Базовой деталью является корпус форсунки. Диаметры топливных каналов корпуса и параметры шероховатости стенок каналов имеют опосредованное влияние на выходную характеристику расход топлива за счт образования гидравлических потерь на трение по длине канала. Оценку данных потерь можно произвести, зная характер течения в каналах форсунки. Он может быть установлен исходя из значения безразмерного коэффициента – числа Рейнольдса, определяемого по формуле [29,58,70] где v – скорость движения жидкости, м/с;
d – диаметр топливного канала, м2;
– кинематическая вязкость жидкости, м2/сек.
Для каналов круглого сечения Reкр 2300, при Re < Reкр течение является ламинарным, а при Re > Reкр течение является турбулентным. Для топливных соответственно. Номинальное значение расхода топлива можно принять условно по среднему паспортному значению для первого контура на уровне 0,36 л/мин, протекающего через каналы при 40 С, равна:
Для горизонтального топливного канала первого контура 2,5 +0,12-0,06 мм усредннная скорость потока топлива будет равна:
Число Рейнольдса, соответствующее скорости в формуле (2.9) может быть найдено так:
рассчитывается следующим образом:
На основании полученных чисел Рейнольдса можно сделать вывод о том, что режим течения топлива в канале первого контура является ламинарным, однако данное утверждение имеет значительную степень обобщения, поскольку длины прямолинейных участков каналов невелики и установление ламинарного режима течения происходит на значительном удалении от начала указанного участка канала. Гидравлические потери на трение по длине каналов в данном случае будут выражены в виде суммы где hпткф – суммарные потери на трение по длине каналов корпуса, м;
hптк1 – потери на трение в вертикальном канале, м;
hптк2 – потери на трение в горизонтальном канале, м.
Потерю напора в каждом из каналов можно установить с помощью универсальной формулы Вейсбаха-Дарси [29,58,70]:
где l – длина рассматриваемого канала, м;
d – диаметр рассматриваемого канала, м;
v – усредннное значение скорости потока жидкости, м/с;
g – ускорение свободного падения, м/с2;
– коэффициент гидравлического трения, который для ламинарного потока вычисляется по формуле [29,58,70]:
Коэффициенты с учтом ранее полученных данных будут иметь следующие значения:
Для установления степени влияния диаметров каналов на расход топлива целесообразно вычислить значения гидравлических потерь на трение, при этом требуется рассмотреть два граничных случая, в первом из них следует учесть наименьшие допустимые диаметры всех участков канала первого контура, а второй случай должен учитывать наибольшие допустимые диаметры тех же параметров. Вычислив потери давления и соответственно изменение расхода топлива в канале. Для наименьших допустимых диаметров каналов первого контура потери на трение будут равны:
Для наибольших допустимых диаметров каналов первого контура потери на трение будут равны:
На основании рассчитанных потерь напора hптк1 можно рассчитать соответствующие им потери давления P птк1:
Из расчтов видно, что колебание допустимых значений диаметров каналов форсунки приводит к изменению величины потери давления на 44,08 Па, или 0,04408 10-3 МПа, что является небольшой величиной относительно значений потери давления (около 2 %).
По второму контуру форсунки расход топлива можно условно принять на уровне среднего паспортного значения 1, канала второго контура равняется 4,5 + 0,16- 0,08 мм, а горизонтального 3,2+0,16-0, мм. Усредннная скорость в вертикальном канале второго контура топливной форсунки Усредннная скорость в горизонтальном канале будет равна:
Число Рейнольдса, соответствующее скорости, рассчитанной по формуле 2.22, может быть найдено так:
Число Рейнольдса, соответствующей скорости, рассчитанной по формуле 2.23:
На основании результатов расчта можно сделать вывод о том, что для обоих каналов второго контура корпуса форсунки характерен турбулентный тип течения топлива, поскольку числа Рейнольдса Reг2 > 2300.
Для числа Рейнольдса при турбулентном течении существует следующее соотношение [29,58,70]:
При условии, если данное неравенство для чисел Рейнольдса, полученных в гидравлического трения Т может быть вычислено по специальной формуле. При подстановке имеющихся параметров для вертикального и горизонтального каналов второго контура корпуса форсунки получим:
Так как оба неравенства являются верными, то значения соответствующих полуэмпирической формуле Блазиуса:
Для вертикального канала второго контура коэффициент Тв2 будет равен:
Для горизонтального канала второго контура коэффициент Тг2 будет равен:
Нахождение величины гидравлического сопротивления как уже было отмечено ранее, производится по формуле Вейсбаха-Дарси. Методика расчта аналогична методике, примененной для каналов первого контура.
На основании результатов, полученных по формулам 2.32, 2.33 необходимо рассчитать потери давления P птк2:
Для второго контура потери на трение в абсолютной величине выше, чем для первого контура. Отклонение в относительных значениях также несколько выше ( 4,6 - 4,7 %).
Наряду с потерями на трение, по длине каналов в обоих контурах форсунки имеется местное гидравлическое сопротивление в виде внезапного поворота русла топливного канала (колена) hкол. Потеря напора при данном виде сопротивления может быть определена по формуле [29,58,70]:
где кол – коэффициент сопротивления колена круглого сечения, определяемый по тарированному графику в зависимости от угла колена ;
v – скорость движения потока до прохождения препятствия, м/с;
g – ускорение свободного падения, м/с2.
На потерю напора при внезапном повороте русла оказывают следующие допустимые отклонения:
- угловое отклонение осей вертикальных каналов для обоих контуров корпуса 1;
- угловое отклонение осей горизонтальных каналов корпуса 115’.
Номинальное значение угла для обоих контуров топливных каналов корпуса форсунки 90. Для данной величины потеря напора для первого контура форсунки будет равна:
Аналогичное значение для второго контура равно:
При изменении величин углов расположения топливных каналов в пределах допуска для наиболее неблагоприятного случая значение параметра для любого из каналов форсунки будет равно 87,75. Потери напора при таких условиях будут равны На основании рассчитанных потерь напора hкол можно рассчитать соответствующие им потери давления для первого контура P кол1:
Потери давления для второго контура P кол2:
Расчт показывает, что для первого контура потери и их отклонение при внезапном повороте русла невелики. Для второго контура потери значительно выше, однако их совместное отклонение составляет менее 2 %.
В ряду важных обособленных параметров корпуса форсунки, оказывающих влияние на гидравлическое сопротивление и, как следствие, на расход топлива через форсунку, особое место занимает форма поверхности, образующейся при сверлении каналов в месте поворота топливного тракта. Такая поверхность может иметь различные формы, быть острой или же иметь скругления, возникающие по различным причинам (увод инструмента, выкрашивание, образование заусенцев и т.п.). Различные научные исследования показывают, что при сглаживании острых кромок в переходных местах топливных каналов снижается гидравлическое технологическом процессе имеется достаточный набор мероприятий, направленных на стабилизацию данных параметров. Остальные геометрические параметры корпуса форсунки не оказывают существенного влияния на параметр расход топлива.
В результате анализа различных литературных источников не было найдено объективных данных о влиянии каких-либо параметров детали типа “корпус форсунки” на параметр неравномерность распыла топлива.
Промежуточной деталью топливного тракта форсунки является переходник.
Для детали “переходник” рассмотрение потерь на трение в топливных каналах нецелесообразно, поскольку длина данных каналов невелика, а их геометрически параметры имеют жсткие требования к точности. Основными факторами, влияющими на расход топлива, являются:
- резкое сужение топливного тракта, имеющее место в данной детали;
- форма переходных кромок в местах изменения сечения тракта.
Влияние резкого сужения русла на расход топлива можно оценить по формуле [29,58,70]:
где суж – коэффициент сопротивления сужения;
v – скорость потока после сужения, м/с.
Коэффициент сопротивления сужения суж может быть определн по полуэмпирической формуле [29,58,70]:
где параметр n = S1/S2 определяет степень сужения русла.
ориентировочные величины скорости, использовавшиеся в предыдущих расчтах.
При нахождении степени сужения n будут учтены единичные площади сечений до и после сужения с учтом допустимых колебаний их размеров. Расчт будет проведн отдельно для каждого контура.
Для второго контура уравнения типа 2.48 будут иметь вид Проведнные расчты показывают, что колебания рассматриваемых геометрических параметров не оказывают существенного воздействия (менее %) на изменение гидравлических потерь и как следствие расхода топлива.
Особое место, как и в случае с деталью корпус форсунки, занимают отклонения формы входных кромок на пути потока топлива, образующихся при Существующая технология содержит эффективные критерии оценки параметров входных кромок. Дополнительный учт данных параметров не требуется.
Рисунок 2.6 – Входные кромки на детали “Переходник” Наиболее ответственными деталями топливного тракта форсунки являются распылители первого и второго контуров. Основной характеристикой центробежной форсунки является параметр А – геометрическая характеристика форсунки. Указанный параметр определяется выражением [29,58]:
где R – плечо закручивания, мм;
rc – радиус сопла форсунки, мм;
n – число входных каналов камеры закручивания;
rвх – радиус входного канала камеры закручивания, мм.
Все переменные, входящие в формулу 2.51, являются геометрическими характеристиками распылителей центробежной форсунки. Для рассматриваемой форсунки ФР-40ДС, имеющей два контура с индивидуальными распылителями, геометрические характеристики А будут различными для каждого распылителя:
Связь между параметрами расхода топлива и рассмотренными геометрическими параметрами для центробежной форсунки определяется выражением:
где dc – номинальный диаметр сопла, мм;
dвх – номинальный диаметр входных отверстий, мм;
R – номинальный размер плеча закручивания, мм;
dc – действительное отклонение для dc, мм;
idвх – действительное отклонение для dвх, мм;
iR – действительное отклонение для R, мм;
n – число входных каналов распылителя;
G – номинальный расход топлива, л/мин;
G – действительное отклонение для G, л/мин.
Значение коэффициента m в формуле 2.54 зависит от фактического m = 0.65; при A > 7.5; m = 0.905. Таким образом, формула 2.54 для распылителя первого контура будет иметь вид [29]:
Аналогично для распылителя второго контура формула 2.54 запишется в следующем виде:
Полученные в формулах 2.55, 2.56 коэффициенты позволяют оценить степень влияния отклонения каждого из рассматриваемых параметров на величину расхода топлива. Расчт показывает, что степень влияния аналогичных параметров для двух контуров форсунки различна. Однако для обоих распылителей может быть установлена общая закономерность. Наибольшее (коэффициенты 1.095, 1.35). Менее сильное влияние имеет параметр dвх (коэффициенты 0.905, 0.22). Наименьшее влияние оказывает плечо закручивания R (коэффициент 0.4525, 0.108).
коэффициенты при параметрах dвх и R отличаются между собой в два раза.
Специфической чертой рассматриваемой конструкции форсунок является прямоугольная форма входных тангенциальных каналов. В связи с этим переменную dвх необходимо заменить на эквивалентную переменную b – глубину входных тангенциальных каналов.
Производственная практика показывает, что данный параметр канала имеет наибольшее влияние на расход топлива. В соответствии с данными, приводимыми в научной литературе, функциональные параметры выражений 2.54 являются основными и подлежат обязательному учту.
Для работы распылителей имеет значение форма выходной кромки сопла распылителя. Для оценки влияния данного параметра проводились экспериментальные исследования. В частности, для центробежной форсунки с диаметром сопла 0.62 мм при давлении подводимой жидкости 2103 кПа массовый расход в случае выполнения сопла с острой кромкой был 0.39 кг/мин. Для той же форсунки, но со скруглнной кромкой, при прочих равных условиях массовый расход топлива увеличился до 0.42 кг/мин или на 7,7-7,8 % по сравнению с предыдущим значением. Точность выполнения остальных размеров распылителей (высоты камеры закручивания, длины сопла, длины входных каналов и т.д.) не оказывает значительного влияния на характеристику расхода форсунки [29].
Вторая группа параметров, влияющих на расход топлива форсункой, представлена параметрами топливного тракта, образующимися при сборке форсунки. Их особенность состоит в том, что данные параметры невозможно установить в результате прямых измерений, и они могут испытывать значительные колебания в результате вхождения в состав форсунки деталей с различными фактическими размерами. В существующем технологическом процессе данные параметры не формализованы и не учитываются. К таким параметрам можно отнести смещение каналов топливного тракта относительно их расчтного взаимного расположения.
значительную степень влияния комплексных параметров на работу форсунки.
поверхностей, обеспечивающих взаимное центрирование деталей пакета распыливания. Определнное влияние также оказывает отклонение координатных параметров топливных каналов в деталях пакета распыливания (рисунок 2.7, a – f).
Рисунок 2.7 – Отклонения взаимного расположения поверхностей детали гидравлических параметров топливного тракта, т. е. снижение, либо повышение сопротивления потоку топлива и, как следствие, изменение выходного параметра расхода топлива. В связи с тем, что детали пакета распыливания представляют собой тела вращения, их смещение можно оценить как отклонение оси детали от своего расчтного положения. Для координатных размеров топливных каналов каждой детали их отклонение целесообразно отсчитывать от геометрической оси самой детали.
Значимым параметром топливного тракта является плотность стыков, образуемых между собой деталями пакета распыливания. Нарушение плотности стыков приводит к существенным потерям энергии потока, перетеканиям топлива и, как следствие, уменьшению расхода топлива через форсунку. Основными причинами нарушения плотности являются отклонение от плоскостности боковых поверхностей деталей распылительного пакета, а также непараллельность указанных боковых поверхностей деталей (рисунок 2.8, показано на примере детали “распылитель I контура”).
Рисунок 2.8 – Геометрические отклонения детали “распылитель I контура”, оказывающие влияние на плотность стыков сопрягаемых деталей На рисунке 2.8 стрелками указаны места наиболее вероятных утечек топлива вследствие нарушения геометрии торцов. Непараллельность торцов разных деталей также может испытывать взаимное наложение, которое также может оказать влияние на плотность стыков распылительного пакета.
«