Влияние эксплуатационных факторов на герметичность уплотнений пневмоклапанов с электромагнитным приводом

ВЛИЯНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ НА ГЕРМЕТИЧНОСТЬ УПЛОТНЕНИЙ ПНЕВМОКЛАПАНОВ С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПРИВОДОМ

Я.Б. Федоричко, асп.

Национальный авиационный университет, г.Киев.

Клапанные уплотнения (КУ) или затвор (клапан и седло), являющиеся уплотнительными устройствами периодического действия, представляют собой элемент конструкции пневмоклапана (ПК), с помощью которого реализуется основная функциональная задача: открытие магистрали либо ее герметичное перекрытие. Безотказность затвора определяет безотказность клапана, а в ряде случаев - безотказность пневмосистемы в целом.

Герметичность КУ определяется величиной допускаемой утечки, лимитируемой, с одной стороны, областью использования и условиями эксплуатации агрегата, характером рабочих сред (дефицитностью, токсичностью, пожаро- и взрывоопасностью и т. д.), а с другой - допустимыми согласно экономическим требованиям затратами на обеспечение герметичности и средства ее контроля. Так как абсолютной герметичности добиться невозможно, практически достижимая герметичность зависит от порога чувствительности средств обнаружения утечки.

По данным, приведенным в работе [1], отказы изделий пневмогидроарматуры вследствие негерметичности затворов доминируют над отказами других элементов конструкции и составляют по всем видам пневмоарматуры от 28 до 55 %.

К настоящему времени проблеме обеспечения герметичности затворов посвящено значительное количество работ [2, 3, 4, 5, 6], разработаны нормативные материалы, регламентирующие проектирование затворов.

Значительная часть упомянутых работ посвящена исследованиям различных типов затворов и разработке рекомендаций по их совершенствованию. Однако до настоящего времени отсутствует четкая систематизация основных причин отказов затворов пневмоклапанов, обусловленных действием эксплуатационных факторов. В литературе практически отсутствуют данные о влиянии факторов длительного хранения на последующую работоспособность затворов.

Эта тема тем более интересна, если учесть, что затвор как конструктивный элемент имеет свои особенности и существенно отличается по своей реакции на действие эксплуатационных факторов.

Цель настоящей работы состоит в попытке частично устранить этот недостаток и наметить направления исследований затворов пневмоклапанов на ближайшую перспективу.

Основные задачи проведенных исследований:

1) провести анализ физических процессов и соответствующих им изменений технического состояния деталей затворов и КУ ПК с электромагнитным приводом при воздействии на них эксплуатационных факторов;

2) на основании проведенного анализа наметить направления исследований затворов пневмоклапанов на ближайшую перспективу и обосновать методику их проведения.

На рис. 1 представлены исследуемые клапаны с электромагнитным приводом (ЭМП), разработанные и изготовленные в Киевском центральном конструкторском бюро арматуростроения (КЦКБА) [7, 8], которые в настоящее время нашли наиболее широкое применение в системах оборудования летательных аппаратов и специализированных мобильных машин.

В процессе эксплуатации агрегаты подвергаются воздействию различных факторов. Согласно общей квалификации [2] эксплуатационные факторы подразделяются на внешние (механические и климатические воздействия) и внутренние (старение, изнашивание, воздействие рабочей среды, режим работы).

Из механических воздействий наиболее опасны вибрационные и ударные нагрузки. Наличие в агрегатах пружин, сильфонов, мембран и других упругих элементов приводит к тому, что при вибрации возможны колебания подвижных узлов и деталей. При определенных частотах может произойти отрыв запорного органа от седла и разгерметизация затвора. Опыт эксплуатации показывает, что как при продольной, так и при поперечной вибрации подпружиненные КУ имеют ряд областей разгерметизации, по частоте соответствующих резонансным частотам. Действие ударных нагрузок может вызвать затухающие колебания подвижных узлов и деталей КУ.

На работоспособность и надежность пневмогидроагрегатов влияют климатические условия. Влияние температуры приводит к изменению линейных размеров деталей, физико-химических и механических свойств различных материалов. Для нормально закрытых клапанов, где клапан наибольшую часть времени прижат к седлу, следует учитывать явление адгезии (прилипания резины к седлу). Величина прилипания зависит от температуры и увеличивается с течением времени, достигает максимума при температуре, близкой к температуре стеклования резины. Как показали исследования, это явление приводит к существенному увеличению минимального напряжения и времени срабатывания электромагнитного привода в 1,03 - 1,3 раза больше номинального напряжения.

Рассмотрим некоторые особенности резино-металлических затворов и то, что существенно отличает их от других элементов конструкции пневмоклапана.

Эти отличия обусловлены наличием уплотнителя - упругого уплотнительного элемента. Благодаря последнему, затвор способен сохранить герметичность при незначительных перекосах подвижной системы и ухудшении макрорельефа уплотнительных поверхностей. Так, например, при разборке ПК после ресурсных испытаний на уплотнительной поверхности золотника обнаруживали вдавливание в поверхность резины металлических частиц размером в поперечнике до 0,3 мм. При этом затвор сохранял работоспособность: величина протечки через затвор находилась в пределах допустимой нормы.

Как отмечено в работе [6], особенность функционирования затворов электромагнитных клапанов состоит в ударном характере контакта подвижных и неподвижных элементов системы. Уплотнитель, являясь упругим элементом, способен существенно нейтрализовать негативные последствия такого контактирования. Тем самым существенно уменьшается вероятность усталостных процессов на поверхностях контакта.

Рисунок. 1 - Типовые конструкции клапанов с электромагнитным приводом, применяемые в системах ЛА: а - клапан для жидких сред с нейтральным однопозиционным электромагнитным приводом (тип ОВ) УФ96181-006 (затвор резино-металлический, РТИ - мембрана; материал уплотнителя - резина ИРП-2037); б - клапан для специальных газообразных сред (кислород, водород, гелий, азот) с поляризованным двухпозиционным электромагнитным приводом (тип ДВ) УФ96203-004 (затвор резино-металлический, РТИ - резино-металлический клапан, материал уплотнителя - резина ИРП - 2043); в - клапан для жидких и газообразных сред с поляризованным двухпозиционным электромагнитным приводом (тип ДТВ) УФ96239-006 (затвор резино-металлический, РТИ - резино-металлический клапан, материал уплотнителя - резина ИРП-2043). г - клапан трехходовой для жидких сред с поляризованным двухпозиционным электромагнитным приводом (тип ДТВС) УФ96554-012 (затвор резино-металлический, РТИ - резино-металлический золотник, материал уплотнителя - резина ИРП-1287)

В табл. 1 приведены основные изменения, происходящие под действием эксплуатационных факторов в элементах затворов, обобщенные по результатам экспериментальной отработки и эксплуатации пневмоклапанов.

Таблица 1 - Изменения в элементах затворов пневмоклапанов под действием эксплуатационных факторов

Рисунок 2 - Схема формирования изменений в элементах затворов пневмоклапанов под действием факторов циклического срабатывания

Схема формирования отказов затворов ПК под действием факторов циклического срабатывания более подробно представлена на рис. 2.

Срабатывание пневматического клапана упрощенно может быть сведено к двум видам взаимодействия элементов подвижной и неподвижной систем:

- взаимодействие I - ударный контакт подвижной системы со стопом электромагнита и седлом;

- взаимодействие II - возвратно-поступательное перемещение подвижной системы (якоря) в разделительной трубке.

В табл. 2 представлены результаты проверок герметичности затворов изделий, которые были подвергнуты испытаниям на длительное хранение в течение периода часов и последующим ресурсным нагрузкам от 0,7·106 до 3,6·106 циклов срабатываний в нормальных условиях.

Диапазоны условий, в которых функционируют затворы ПК, с развитием техники постоянно расширяются, в частности, ужесточаются температурные режимы применяемых рабочих сред.

Появилось новое направление в развитии ПК с ЭМП, которое требует разработки изделий для газовых сред с температурой в диапазоне (200ч600) єС. Это исключает применение традиционных резино-металлических затворов. Применение затворов „металл по металлу” выдвигает ряд сложных технических задач по обеспечению требуемой безотказности, одно из которых состоит в разработке мер по уменьшению негативных последствий ударного контакта элементов - клапана и седла. Разработка мер по обеспечению износостойкости затворов „металл по металлу” в условиях длительного циклического ударного контактирования представляет собой актуальную научно-техническую задачу.

Таблица 2 - Результаты проверки герметичности затворов пневматических клапанов после натурных испытаний на длительное хранение

Особенностью функционирования пневмогидроклапанов с электромагнитным приводом систем оборудования летательных аппаратов и мобильных машин является влияние широкого спектра эксплуатационных воздействий и факторов. Эти воздействия вызывают обратимые и необратимые изменения технического состояния затворов пневмогидроагрегатов.

Проведен анализ эксплуатационных факторов и вызываемых ими изменений в элементах затворов пневмогидроклапанов.

Приведены результаты исследований на герметичность затворов клапанов после натурных испытаний на длительное хранение.

Результаты исследований рекомендуется использовать при проектировании электромагнитных клапанов различного назначения.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

Кармугин Б.В., Кисель В.Л., Лазебник А.Г. Современные конструкции малогабаритной пневмоарматуры. - Киев: Техника, 1980. - 296 с.

Кармугин Б.В., Стратиневский Г.Г., Мендельсон Д.А. Клапанные уплотнения пневмоагрегатов. - М.: Машиностроение, 1983. - 152 с.

Патент № 52770 (Україна). Триходовий електромагнітний клапан. /Б.П. Вовк, В.Л.

Ситников А.Е., Кудинов А.С., Федоричко Я.Б., Зайончковський Г.И. Стендовое моделирование эксплуатационных изменений в электромагнитных клапанах // В всеукраинском научно-техническом журнале „Вибрации в технике и технологиях”. - Винница, 2003. - №3. - С. 63 - 66.

Федоричко Я.Б. Моделювання експлуатаційних змін технічного стану гідропневмоклапанів з електромагнітним приводом // В зб. “Вестник национального технического университета Украины “Киевский политехнический институт”, Машиностроение. - Киев, 2002. - Выпуск 42. - Т. 2. - С. 57 - 59.

Федоричко Я.Б. Эксплуатационные изменения резино-металлических затворов в пневмогидроклапанах // В всеукраинском научно-техническом журнале „Вибрации в технике и технологиях”. - Винница, 2003. - №3. - С. 95 - 97.

Хильчевский В.В., Ситников А.Е., Ананьевский В.А. Надежность трубопроводной пневмо- гидроарматуры. - М.: Машиностроение, 1989. - 208 с.