Расчет обобщенных и конструктивных параметров

Расчет конструктивного параметра S_nl.

Расчет конструктивного параметра будем проводить, исходя из обеспечения допустимого значения  по зависимости:

 

                                                        (1.5.1)

 

S_n - площадь поршня,

1 – плечо,

 - максимальный относительный перепад давлений,

 

 

где Р_{n1, 2} - давление в рабочих полостях.

Для распределительного устройства типа " струйная трубка" можно принять  k_σ находится как экстремум функции k_σ = 0, 0098.

ξ - коэффициент, учитывающий утечки в полостях и потери в системе ξ =0, 9

 

м³

Принимаем S_nl = 9-10^-6 м³ = 9 см³.

Расчет развиваемого момента.

Расчет развиваемого момента будем проводить, исходя из следующего соотношения:

 

                                                      (1.5.2)

 

,

Р_ИЗб выбирается для экстремума с_энерг

с_энерг = -11, 57, Ризб =12, 41 атм.

Тогда М_т = 9 • 0, 75 • 12, 41 = 83, 8 кг/см.

Зная момент нагрузки М_т = 25, 02 кг- см, можно определить значение параметра σ:

 

σ =  

 

Отсюда видно, что σ < σ _доп при σ _доп = 0, 4.

Расчет потребной и максимальной скорости.

 

Расчет потребной скорости будем проводить, исходя из отработки угла δ ₀ на частоте f при действии нагрузки, по зависимости

 

                                   (1.5.3)

 

где δ ₀ = δ _m - угол отклонения рулей, δ ₀ = 0, 44 рад.

Параметр  для газораспределительного устройства типа " струйная трубка" можно принять 1;

ω = 2 •f = 2 • f_вр 1, 5 + 2 •1, 5 + 2 •1, 5 - круговая частота вращения объекта рассчитывается с учетом разброса на конструктивные параметры и частоты управления.

 

ω =2 • 12, 96•2 • 1, 5• 2 • 1, 5 = 100 с^-1,

 

 = 59, 5 рад/с.

 

Максимальная скорость находится из следующего соотношения:

 

                                                  (1.5.4)

 

где  - коэффициент, учитывающий разброс конструктивных параметров, = 1, 15;

k _тр = 0, 9- коэффициент, учитывающий трение,

 

 рад /с.

 

Расчет эффективной площади выходного отверстия ГРУ.

Эффективная площадь выходного отверстия газораспределительного устройства может быть определена из зависимости для определения максимальной скорости:

                                          

 

                                  (1.5.5)

 

где Т_п - температура рабочего тела в полости, Т_п = 900 К,

Y - газодинамическая функция расхода, Y = 1 при Ризб = 12, 41 атм.

R, k_о - параметры, характеризующие рабочее тело,

k_о - показатель адиабаты, k_о = 21, 4,

R - универсальная газовая постоянная R = 2927 кг. см / кг-К

Эффективная площадь выходного отверстия ГРУ будет равна:

 

 

 

Эффективная площадь входного отверстия ГРУ будет равна:

 

 

 - коэффициент расхода, - коэффициент расхода, = 0, 85÷ 0, 9.

Выходные и входные площади отверстий ГРУ будут равны, соответственно:

 

S_вых = 0, 024 см²; S_BX= 0, 021 см².

Описание конструкции РП

 

В состав двухканального РП входят две рулевые машины, обеспечи-вающие управление каждым каналом, шпангоут с двумя парами аэродинамических рулей, воздухозаборник, теплоотборник, блок усилителей, конструктивно располагающийся в электронной аппаратуре ракеты.

Разработанный привод представляет собой пропорциональный рулевой привод, использующий энергию набегающего потока воздуха с исполнительным релейным двигателем двухстороннего действия и распределительным устройством " струйная трубка".

Поршень исполнительного двигателя имеет уплотнения, обеспечивающие плотное прилегание поршня к стенкам цилиндра, что обеспечивает отсутствие перетекания между полостями. Уплотнение поршня комбинированное состоит из фторопластовых колец, подпружиненных изнутри воротничковыми манжетами.

Основными сборочными единицами РП являются шпангоут и рулевые машины.

В шпангоуте на подшипниках качения установлены аэродинамические рули. На шпангоут с помощью винтов крепятся с двух сторон рулевые машины. Поступательное движение штока рулевой машины преобразуется во вращательное движение рулей посредством промежуточной тяги.

В состав рулевой машины входит силовой цилиндр двухстороннего действия, поршень с уплотнениями, потенциометрический датчик обратной связи, распределительное устройство. Распределительное устройство состоит из поворотного сопла, закрепленного на оси управляющего электромагнита и неподвижного приемника, который имеет два прямоугольных окна, связанные через подводные каналы с полостями рабочего цилиндра.

При торможении воздушного потока от элемента конструкции привода выделяется большое количество тепла, в результате чего конструкция нагревается. Поэтому необходимо использовать материалы для изготовления, способные выдерживать высокую температуру. Носовой обтекатель будет изготавливаться из цинко-молибденового сплава ЦМ-2А, аэродинамические рули из хромо-никелевого сплава ЖСБК~Ви. Остальные детали конструкции, менее подверженные тепловому воздействию будут изготавливаться из нержавеющей стали. Для охлаждения воздуха, попадающего через воздухозаборник в рабочие полости, в передней части РП установлен теплоотборник, состоящий из тонких металлических трубок, проходя через которые, воздух охлаждается.

Тепловой расчет

Тепловой расчет конструкции проводится после предварительной компоновки РП по алгоритму, приведенному на рис. 1.7 в следующем порядке:

1) определяется температура газа на входе в воздухозаборное устройство

 

Т_вх=Т_а(1+0, 2М²);

 

2) по первоначально выбранному q_j, определяется температура рабочего тела в j-том элементе конструкции

 

 

3) определяются параметры , ,

 

 

4) рассчитывается критерий Био:

5) определяются коэффициенты уравнений для расчета температуры рабочего тела и стенок конструкции j-того элемента:

 

;

;

 

;

 

;

 

;

 

;

;

 

;

;

 

6) рассчитывается параметр

 

;

 

Если отличие заданного значения и рассчитанного составляет более 15%, то проводится повторный расчет, и в качестве берется рассчитанное значение .

Результаты расчета тепловых процессов используются для уточнения обобщенных параметров привода и выбора материалов конструкции.

 

Алгоритм расчета температур рабочего тела и стенок конструкции

1	Выбор режима расчета и первоначального значения qч
2	Расчет температуры газа в трубопроводе
3	Расчет параметра kат и коэффициентов теплоотдачи α п и α вт
4	Определение коэффициентов уравнений для расчета температур
5	Расчет температуры воздуха в трубопроводе и температуры стенки
6	Расчет параметра qη
	6
9	Выбор первоначального значения qф1
10	Расчет параметра kап и коэффициентов α п и α вт
11	Определение коэффициентов уравнений для расчета температур
12	Расчет температуры воздуха в фильтре и температуры стенки фильтра
13	Расчет параметра qф
	14 15   q ф i =q ф
16	Выбор первоначального значения qпi
17	Расчет параметра kф1 и коэффициентов теплоотдачи α п и α вых
18	Расчет критерия ВИО для полости
19	Определение коэффициентов уравнений для расчета температур
20	Расчет температуры воздуха в полости и температуры стенки
21	Расчет параметра qп
	23   q п1 =q п   22
24	Определение Тот(t), Тт(t), Тоф(t), Тф(t), Топ(t), Тп(t)
25	Выпуск отчетной документации

 

Рис 1.7.1

 

По приведенным выше математическим моделям рассчитаны параметры силовой и управляющей частей РП, управляющего электромагнита и температуры рабочего тела.

В качестве расчетных выбраны режимы (рис. 1.7, 1.8):

1) для расчета S_nl - режим, соответствующий экстремуму k^σ :

 

, Т_а=223 К, t = 0, 6 c, М=1, 124, Р_н=1, 22ּ 10⁵ Па

k^{σ min} = - 0, 0094, x_ов = 61мм, М_н = - 0, 324 Нм, f_вp = 3, 6 Гц;

 

2) для расчета требуемой скорости и размеров распределительного устройства - режим, соответствующий экстремуму С_э:

 

, Т_а=323 К, t = 4, 8 c, М=5, 014, Р_н=18, 2ּ 10⁵ Па, Х_ов= 61 мм

М_н = -3, 68 Нм, f_вp = 15, 1 Гц. Н = 5200 м, Т_вх = 1748 К, Δ f_вр= 3, 0 Гц,

f_y = 1, 0 Гц, С_min=-1, 8;

3) для расчета управляющей части - режим, на котором имеют место максимальные фазовые сдвиги на рабочих частотах:

 

, Т_а = 323 К, t = 9, 8 с, М = 5, 23, Р_и = 4, 98ּ 10⁵ Па, Х_ов = 61 мм, М_н= = - 0, 916 Нм, f_вp = 14, 06 Гц, Н = 14686 м, Т_вх = 1475 К, Δ f_вp = 2, 8 Гц, f_y = 1, 0 Гц;

 

4) для расчета тепловых процессов - режим, на котором имеют место максимальные температуры потока воздуха в воздухозаборнике:

 

, Т_а = 323 К, t = 1, 38 с, М_mах = 5, 308, Р_а = 35, 7·10⁵ Па, Н = 0,

Т_вхmах = 2132 К.

При b_ρ = 9, 7 10^-2м, S_p = 28, 3ּ 10^-4 м², Δ ρ _m= 0, 75, σ _доп = 0, 4, ξ = 0, 4, δ _m= =0, 436 рад,

Т_п = 920 К.

 

получены следующие основные конструктивные и обобщенные параметры исполнительного двигателя:

произведение площади поршня на плечо S_nl, м³...............9, 0ּ 10^-6;

плечо 1, м..........................................................................1, 05 10^-2;

требуемая скорость Ω, 1/с...............................................76, 03.

эффективная площадь истечения из рабочей полости

µS_вых, м²........................................................................... 2, 00 10^-6;

эффективная площадь втекания в рабочую полость,

µS_вх, m²............................................................................. 1, 8 10^-6.

Зависимости параметра k_σ времени для различных режимов работы

Рис 1.7.2

 

Зависимость энергетической функции от времени для различных режимов работы

Рис 1.7.3

В конструкции реализовано S_nl = 10, 0-10^-6 м³.

В результате расчета управляющей части РП при  = 6,  = 88, 3с^-1,

 

, = 0, 0393 рад, = -20°,  = 76, 4 с-¹, М_рп, = 3, 36 Нм, J = 0, 000025 кгм², f = 0, 001 Нмс, Мстр = 0, 15

 

Нм определены параметры и структура привода:

частота автоколебаний , 1/с.................................... 530

амплитуда автоколебаний δ _а, рад................................ 0, 277

время эквивалентного запаздывания УЭМ t_эyM, с.......0, 0016

величина зоны неоднозначности релейного усилителя, приведенная к

выходу ДОС U_в........................................................ 1, 0

параметр корректирующего фильтра С_к.................... 1, 76

амплитудная характеристика разомкнутого РП А_р( ). 2, 505

фазовая характеристика замкнутого ).........минус 20°

Для реализации С_к = 1, 76 использован корректирующий фильтр с передаточной функцией вида:

;

 

где: T_i = 0, 004 с, Т_г = 0, 012 с.

Основные параметры управляющего электромагнита, рассчитанные из условия обеспечения времени эквивалентного запаздывания t_э = 0, 0016 с при напряжении питания U_n = 30 В, угле поворота  = 0, 0393 рад и максимальном допустимом токе потребления на канал J_д ≤ 0, 8 А, следующие:

сопротивление обмотки при 20°С R_о, Ом...................62±3;

число витков W, не менее....................................... 900;

провод ПЭТВ-0, 112;

плечо якоря l_я, м............................................... 1, 15-10^-2;

площадь якоря S_a, м²........................................... 0, 2-10^-4;

площадь минимального сечения магнитопровода, м².... 0, 2-10^-4;

эквивалентная длина магнитопровода l_ст, м............0, 675-10";

жесткость пружины С_пр, Нм/рад..............................1, 7.

Время срабатывания рассчитанного УЭМ не более 0, 002 с. Температура рабочего тела в трубопроводе Т_Т, теплоотборнике Т_ф, рабочих полостях Т_п стенок Т_ст, Т_сф, Т_сп для наиболее тяжелого с точки зрения нагрева режима превышают допустимых для легированных жаропрочных сталей, рис. 1.9. Расчет проведен при следующих исходных данных:

 

 = 0, 03-10^-4 м², F_T= 14, 1-10^-4 м², t = 1, 38 с, Т_вх = 2132 К, Р_вх = 36-10⁵Па, R = 29, 27 Дж/(Н-К), k = 1, 4, , = 8, 51Вт-м/(Нּ К),

 

= 0, J_T= 0, 015 кг, С_т = 1087 Дж/(кг-К), α _оф = 63, 85Вт-м/(Н-К),

 

= 0, 03-10^-4 м², Р_ф = 203-10^-4 м², J_ф= 0, 174 кг, С_ф = 627 Дж/(кг-К), В_iф = 0

 

= 0, Р_ф = 34 -10⁵ Па, = 0, 02-10^-4 м²,  = 21, 28 Вт-м/(Н-К), Р_п = 20-10⁵ Па, F_n = 14, 94- 10^-4 м²,  = 420 Вт/(м² - К).

 

Проведенный тепловой расчет показал, что прогрев элементов конструкции достаточно высок, и необходимо при конструктивной проработке экспериментальных исследованиях обратить особое внимание на следующие " слабые" места в конструкции:

1) зазор между струйником и приемником из-за линейного удлинения струйника Δ l_c = 0, 09 мм должен быть не менее 0, 11- 0, 12мм;

2) возможно нарушение целостности уплотнений по поршню и перетекание воздуха из полости в полость;

3) обмотки управляющего электромагнита, датчик обратной связи и монтаж должны быть защищены от воздействия горячего воздуха;

4) ленточный кабель должен быть теплоизолирован;

5) теплоотборник должен быть изолирован от обтекателя и иметь максимальную массу;

6) рабочий воздушный поток следует тормозить на входе теплоотборника;

7) пайки проводников следует по возможности заменить на сварку, промежуточные пайки исключить;

 8) должен быть продолжен поиск новых обмоточных и монтажных проводов в случае увеличения времени работы привода, используемые в данной конструкции на пределе возможностей.

 

Зависимости температур стенок конструкции РП и воздуха на его входе от времени

Рис 1.7.4

 

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться: