Автореферат (Разработка метода расчета и исследование рабочих процессов регуляторов давления с учетом аэродинамической составляющей нагрузки на регулирующий элемент)

На правах рукописиУДК 62-522.7; 536.7Васильева Вера АлександровнаРАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА И ИССЛЕДОВАНИЕРАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ РЕГУЛЯТОРОВ ДАВЛЕНИЯ С УЧЕТОМАЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ НАГРУЗКИНА РЕГУЛИРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТСпециальность 05.04.06 – Вакуумная, компрессорная техника ипневмосистемыАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2015Работа выполнена в Московском государственномуниверситете им.

Н.Э. Баумана (МГТУ им. Н.Э. Баумана).техническомНаучный руководитель:доктор технических наук, профессорФГБОУ ВПО «МГТУ им. Н.Э. Баумана»Чернышев Андрей ВладимировичОфициальные оппоненты:доктор технических наук, профессорВИ (ЖДВ и ВОСО) ВА МТОимени генерала армии А.В. ХрулеваДолотов Алексей Митрофановичдоктор технических наук, профессорСамарскогогосударственногоуниверситета путей сообщенияМулюкин Олег ПетровичВедущее предприятие:Акционерное общество«Научно- производственная фирма«Центральное конструкторское бюроарматуростроения»Защита диссертации состоится «18» ноября 2015 г. в 14-30 час. на заседаниидиссертационного совета Д 212.141.16 при Московском государственномтехническом университете им. Н.Э.

Баумана по адресу: 105005, Москва, 2-яБауманская улица, д.5, стр.1С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО«МГТУ им. Н.Э. Баумана» и на сайте http://www.bmstu.ru.Ваш отзыв на автореферат в 2 экз., заверенных печатью учреждения, просимнаправлять по адресу: 105005, Москва, 2-я Бауманская улица, д.5, стр.1Ученому секретарю диссертационного совета Д 212.141.16.Автореферат разослан «____» _______________ 2015г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.141.16кандидат технических наук, доцентМ. А.

КолосовОбщая характеристика работыАктуальность исследованияРегуляторы давления (РД) являются разновидностью трубопроводной арматуры (ТА) и представляют собой устройства, предназначенные для поддержания давления рабочей среды в объекте регулирования (ОР) в заданном диапазоне значений. Принцип работы РД основан на изменении расхода рабочейсреды в дроссельном сечении, образуемом между седлом и регулирующим элементом РД. Регулирующий элемент часто выполняют в форме тарели клапана.РД широко используются в различных пневмогидравлических системах(ПГС). Надежность ПГС во многом определяется надежностью установленнойв ней ТА.

Важным фактором, влияющим на надежность работы РД, являетсяскорость посадки тарели клапана на седло. Высокие скорости приводят к большим ударным нагрузкам и, как следствие, к разрушению материала уплотненияи выходу из строя оборудования. Кроме того, РД вместе с ОР представляют собой замкнутую систему автоматического регулирования, и при изменении расхода рабочей среды из ОР (входной параметр) происходит изменение давлениярабочей среды (выходной параметр).

При этом система переходит в новое состояние, которое для нормального функционирования системы должно бытьустойчивым. Переходный процесс может быть плавным, а может сопровождаться колебаниями. Все это приводит к повышенным вибрациям и шуму, чтоможет явиться причиной поломки или даже разрушения оборудования и выходу из строя всей ПГС.Для предупреждения возникновения подобных явлений при разработкеновых РД всегда проводят предварительные расчеты, которые включают в себясиловые расчеты, позволяющие определить действующие на тарель клапанасилы и подобрать силовые элементы конструкции (пружины, привод), и расчеты статических и динамических характеристик, позволяющие оценить точностьи устойчивость работы устройства.Тем не менее, известны случаи, когда успешно работающий в одних условиях РД под воздействием каких-либо факторов выходит на нерасчетный режим. Для выявления и устранения этих факторов проводятся экспериментальные исследования работы устройств в лабораторных условиях на моделях.

Однако, не всегда удается получить нужный результат, поскольку проведение эксперимента всегда трудоемко и требует больших затрат времени и ресурсов. Дляупрощения этого процесса и предварительной оценки степени влияния различных факторов на работу РД более простым решением может оказаться численное моделирование рабочих процессов РД, которое позволило бы в более короткие сроки и с меньшими затратами воспроизвести работу устройства и оценить влияние на нее различных факторов.Разработка математических моделей рабочих процессов в РД и проведение предварительных расчетно-теоретических исследований являются важными этапами проектирования и наладки РД.Однако сложность протекающих в РД процессов вызывает трудности приразработке таких математических моделей.

Главным образом они заключаются1в определении газовых сил, действующих на регулирующий элемент (тарельклапана) РД со стороны рабочей среды. Дело в том, что давление по тареликлапана распределяется неравномерно, что обуславливается наличием аэродинамической составляющей газовой силы. Кроме того, картина распределениядавлений в проточной части РД меняется по мере изменения высоты подъемаклапана. В технической литературе отличие действительной газовой силы отгазостатической учитывается коэффициентом подъемной силы  , значение которого принимают по экспериментальным данным. Величина коэффициента зависит от большого числа факторов, в том числе от формы регулирующего элемента и величины действующего на него перепада давлений, и меняется в широком диапазоне значений, поэтому в случае разработки новых устройствнакопленной базы данных бывает недостаточно, а проведение новых экспериментов связано с дополнительными затратами.В настоящее время уровень развития компьютерной техники позволяетрешить эту проблему путем математического моделирования рабочих процессов в проточной части РД и проведения расчетно-теоретических исследований,направленных на определение коэффициента подъемной силы.

Кроме того, актуальной задачей является создание и обоснование методов расчета и математических моделей рабочих процессов во всем устройстве, учитывающих наличие аэродинамической составляющей нагрузки и связанного с ней распределения давления по тарели клапана, которые необходимы для проведения предварительных расчетов РД.Объектом исследования является регулятор давления «после себя» с тарельчатым клапаном.Предметом исследования являются рабочие процессы, протекающие вполостях РД и определяющие его технические и эксплуатационные характеристики.Целью работы является:Разработка метода расчета и математической модели рабочих процессов вРД с учетом аэродинамической составляющей нагрузки на регулирующий элемент для проведения предварительных расчетов при разработке и усовершенствовании конструкций РД.Задачи исследования:1.

Разработка метода расчета и математической модели рабочих процессов в РД с учетом аэродинамической составляющей нагрузки на регулирующий элемент, позволяющих определить изменение распределениядавлений и скоростей газа в полостях РД и скоростей подвижных элементов конструкции во времени.2. Проведение расчетно-теоретических исследований рабочих процессовв РД.3. Разработка методики и проведение экспериментальных исследованийдля проверки адекватности математической модели рабочих процессовв РД.24. Внедрение результатов работы в практику проектирования и наладкиРД.Научная новизна1.

Впервые в приложении к РД созданы метод расчета и математическаямодель рабочих процессов с учетом распределенной аэродинамическойсоставляющей нагрузки на регулирующий элемент.2. При помощи созданных метода расчета и математической модели рабочих процессов в РД впервые получены результаты расчетнотеоретических исследований рабочих процессов в РД: распределениедавления в проточной полости устройства; влияние силы трения, изменения расхода потребителя, диаметра делительной дюзы, объема ОР нарабочие процессы в РД.3.

Предложенный в работе метод расчета позволяет провести детальныйанализ рабочих процессов в РД в переходном режиме, что практическиневозможно осуществить при использовании экспериментальных методов исследования.4. Разработана методика и проведены экспериментальные исследованиярабочих процессов в РД, подтвердившие адекватность разработаннойматематической модели рабочих процессов в РД.Практическая ценность1. Создан метод расчета и математическая модель рабочих процессов вРД, позволяющие повысить эффективность проектирования подобныхустройств, а также сократить сроки их разработки за счет возможностивнесения изменений в конструктивную схему устройства на этапах разработки.2.

Результаты работы использованы при выполнении НИР «Созданиенаучной базы разработки вакуумного и пневмоэлектромеханическогооборудования с применением методов быстрого прототипирования»(Шифр ГБ3301сп) в МГТУ им. Баумана, Москва.3. Результаты диссертационной работы внедрены в практику проектирования и исследования рабочих процессов в РД в ЗАО НПО «Аркон», г.Москва, а также использованы при проведении исследовательских работ в ОАО «РКК «Энергия», г. Королев (договор №07/01-13), и внедрены в учебный процесс МГТУ им.

Н.Э. Баумана, г. Москва, что подтверждено актами о внедрении.Достоверность полученных данных подтверждена совпадением полученных в работе результатов с приведенными в научно-технической литературеданными по результатам испытаний, направленных на исследование рабочихпроцессов в конкретных устройствах.Положения, выносимые на защитуМетод расчета и математическая модель рабочих процессов в регуляторедавления с учетом аэродинамической составляющей нагрузки на регулирующий элемент РД. Результаты численно-теоретических и экспериментальных исследований рабочих процессов в РД.3Апробация работыОсновные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях:1.

Четвертая Всероссийская конференция молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России». Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011;2. Вторая научно-техническая конференция аспирантов, магистрантов,студентов, творческой молодежи профильных предприятий и организаций, учащихся старших классов, посвященной 70-летию ОмГТУ.Омск, ОмГТУ, 2012;3. Пятая Всероссийская конференция молодых ученых и специалистов«Будущее машиностроения России». Москва, МГТУ им. Н.Э.