Конструкция и системы энергоснабжения

Толщина электрода h=0.2мм;

Толщина кольца hк=0.6мм.

Итак, известны h, hк, Дt, E, б. Требуется определить уr, уi., уц..

Основным осложнением при определении напряженного состояния электрода является различие в толщинах собственно электрода и его силового кольца. На стыке этих двух элементов возникают силы реакции R, которые следует определить.

Принимаем, что радиальная деформация в точке С электрода равна радиальной деформации кольца.

, (3.1)

, (3.2)

Где - сила от температурного нагревания;

, - температурные деформации,

- распределенная сила, Н.

Так как сетка цельная, то для нее можно записать:

(3.3)

(3.4)

Податливость и найдем условно принимая:

, (3.5)

, (3.6)

В точке С относительная деформация будет:

, (3.7)

Деформацию от силы можно записать так:

, (3.8)

где - напряжения от силы , МПа.

, (3.9)

, (3.10)

Тогда с учетом выражений (5.8), (5.9), (5.10) податливость можно переписать так:

, (3.11)

, (3.12)

Теперь из выражения (5.2) можно найти :

, (3.13)

С учетом раньше записанных и , можем записать для нашего случая так:

, (3.14)

, (3.15)

где - напряжения от силы , МПа.5.

Величина находится так:

, (3.16)

где - толщина неперфорируемой пластины, прогиб которой равняется прогибу перфорируемой пластины, при одинаковом нагружении

, (3.17)

, (3.18)

, (3.19)

где - диаметр отверстий в электроде ИОС, мм;

- шаг между отверстиями в электроде ИОС, мм.

Тогда,

(3.20)

(мм),

Теперь зная все необходимые величины, можем проводить расчет.

Определяем температурные деформации.

(3.21)

, (3.22)

(3.23)

(Н/мм), (3.24)

(МПа), (3.25)

Т.е. можно записать выражения для определения напряжений в электроде:

(3.26)

, (3.27)

Расчет проведен в программе, написанной в MathCADe, в результате получено распределение напряжения по радиусу электрода и кольца, что изображено на рисунках 4.3 и 4.4

Зная и эквивалентные напряжения:

(3.28)

Максимальное напряжение будет при :

(МПа), (3.29)

(МПа), (3.30)

Тогда максимальное напряжение будет:

МПа, (3.31)

Коэффициент запаса прочности для сетки будет равен:

(3.32)

При этом выполняется условие[8]: , которое указывает на то, что сетка не изогнется под действием нагрузок.

где - граница устойчивой прочности материала электрода, МПа, равная для данной температуры и материала сетки = 96 МПа

Определим критические напряжения при которых сетка потеряет устойчивость:

15.025 (МПа), (3.33)



Если:

, (3.34)

То сетка будет устойчивой.

В нашем случае условие (3.34) не выполняется , т.е сетка не устойчива, поэтому в конструкции ИОС мы создали направление для деформации, выгнув пластины в одном направлении, чтобы сетки не соприкасались..

Аналогичные расчеты проводятся для кольца.

(3.35)

ределяем эквивалентные напряжения:

(3.37)

Максимальные значения буде при :

(МПа), (3.38)

(МПа), (3.39)

Тогда, максимальное значение будет:



, (3.40)

Коэффициент запаса прочности для кольца будет равен:

, (3.41)

где - граница устойчивой прочности материала электрода, МПа, равная для данной температуры и материала кольца = 96 МПа

В результате проведенных расчетов можно сказать, что ИОС будет исправно работать под действием температурных напряжений за весь заданный промежуток времени.

3.2 Расчет на прочность бака ДУ

Бак по размерам и массе составляет наибольшую часть системы подачи рабочего вещества. Требования к материалу и конструкции бака определяются видом выбранного рабочего вещества и схемой системы подачи. Основные требования к бакам:

-малая масса;

-прочность и герметичность;

-коррозионная стойкость;

-совместимость с выбранным рабочим телом.

В зависимости от способа подачи рабочего вещества баки разделяются на типы:

1 .Нагруженные баки, которые при работе находятся под высоким давлением.

2.Разгруженные баки, не находящиеся под высоким давлением при работе движителя. Их используют при насосной подаче рабочего вещества.

Форма бака определяется условиями компоновки. В данной работе используется бак сферической формы, поскольку он имеет минимальную массу. Подача рабочего вещества осуществляется в ГРК за счет перепадов давления. В качестве материала бака служит титановый сплав ВТ5, что имеет хорошую свариваемость и физико-химические свойства:

В качестве материала бака служит титановый сплав ВТ5, что имеет хорошую свариваемость и физико-химические свойства:.степень черноты е = 0,63.

Таким образом, задавшись необходимыми параметрами для расчета СХПРТ, рассчитаем объем бака и толщину его стенок. Для того чтобы не пропустить фазовый переход рабочего тела выберем значение критического давления меньшим, чем действительное:

Ркр=58 атм; Рр=50 атм = 50·105 Па;

Ткр=17єС; Тр=280 К;

Для определения объема бака, рассчитаем массу рабочего тела по формуле:

,

кг/с

- масса РТ на все четыре бака, поэтому:

кг

Запас рабочего тела для одного бака принимаем равным

Зная массу рабочего вещества запишем уравнение состояния газа, учитывая то, что газ при заправке находился под давлением Р и температуре Т:

,

Где:

V -объем, что занимает рабочее вещество при температуре Т и давлении Р, м3;

µ - молярная масса, рабочего вещества, кг/моль

Используя уравнение (3.2.2) определим необходимый обьем сферического бака:

,

м3

Зная объем бака определим его диаметр:.

,

,

(м).

Если изменились условия хранения газа в баке (т.е. Т выросла до Тmax), то уравнение состояния газа примет следующий вид:



,

Разделив уравнения состояния для двух случаев друг на друга получим:

,

Откуда находим выражение для определения :

,

Величину максимальной температуры Тmax определим, исходя из того, что в условиях космического пространства бак может разогреваться за счет потока энергии солнечных лучей. Охлаждение бака происходит исключительно за счет излучения. При расчете учтем, что в сбросе тепла участвует вся поверхность бака Sб, в то время как солнечные лучи греют Sб/4. Тогда уравнение теплового баланса примет вид:

,

Из уравнения теплового баланса выразим :

,

Где: - поток энергии солнечных лучей, ?1,36 кВт/м2

- степень черноты, материал из которого изготавливается бак- титановый сплав ВТ5, =0,63 [3];

-

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

температура космического пространства, =4К;

(К)

Зная величину Тmax(в земных условиях T=300К) определяем Рmax:

,

(Па),

Напряжения, возникающие в стенках бака из-за давления Р, определяются по формуле

,

Максимальные напряжения будут возникать в стенках бака при Р=Рmax:

,

Зная [у], и учитывая то, что уmax?[у], вычисляем минимальную толщину стенки бака-:

,

(м).

Принимаем толщину стенки бака =1 мм

Масса конструкции бака равна:

кг .

Масса заправленного газом бака равна:

кг

Найдем коэффициент складирования рабочего тела бc, который показывает во сколько раз масса заправленного бака больше массы рабочего тела:

.

Как видно из формулы, величина бc не зависит от массы рабочего тела, а зависит от его плотности, параметров и свойств материала бака (прочности и плотности). Лучшей конструкцией бака считается конструкция, у которой бc принимает наименьшее значение.

Следует учесть то, что в использованных формулах пренебрегались изменения объема бака при расширении материала его конструкции при нагревании.

Полученное значение <[], что удовлетворяет условию прочности.

Расчет бака на прочность заключается в определении запаса прочности:

, ( )

В результате расчетов проверили запас прочности стенок бака, он получился больше заданного. Следовательно, рассчитанный элемент конструкции должен работать при заданных параметрах на протяжении всего срока своей эксплуатации.



4. РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ

4.1 Расчет схемной надежности

Задача, спроектировать ПГС, которая бы обеспечивала вероятность безотказной работы [8]

Схемная надежность -- способность изделия выполнять заданные функции в заданный промежуток времени и при заданных условиях при наличии отказа одного или нескольких элементов. Метод повышения надежности, при котором в систему вводятся дополнительные элементы, получил название «резервирование». Будем проводить резервирование замещением (недогруженный резерв) с использованием режима ожидания резервного элемента в облегченном режиме. Ресурс системы Выбираем самую длинную цепочку элементов, а значит более ненадежную:

Таблица 4.1

Показатели надежности элементов СХПРТ

№,i	Элемент	Интенсивность отказа в рабочем состоянии	Масса , кг
1	Ф	3	0.06
2	Бак	0,7	0.353
3	ДТ1	0,59	0,012
4	ДД1	0,99	0,012
5	ЗУ	0.4	0.08
6	ПК	1,2	0,03
7	ЭК1	1,87	0,06
8	Р	19	0,1
9	РС	0.7	0,8
10	ДТ2	0,59	0,012
11	ДД2	0,99	0,012
12	ЭК2	1,87	0,06
13	ЖК1	1,71	0,03
14	ЖК2	1,71	0,03
15	ТД1	9,1	0,015
16	ЖКА	1,71	0,03

При расчете используются следующие допущения:

отказы элементов составляют простейший поток отказов;

переключающие системы идеальны, а основная и все резервные системы равнонадежны;

ремонт резервированной системы в процессе ее работы невозможен.

Вероятность безотказной работы каждого элемента находится из следующего соотношения (для экспоненциального закона распределения):

( )

Вероятность безотказной работы m элементов при последовательном соединении:

( )

, ( )

Таким образом, вероятность безотказной работы нерезервированной системы равна что гораздо меньше необходимого значения. Массу нерезервированной системы можно определить как:

1.756 (кг), ( )



Проведем поэлементное резервирование замещением с применением холодного резерва.

В случае использования «холодного» режима ожидания резервного элемента, вероятность безотказной работы изделия, определяется по выражению:

, ( )

где - интенсивность отказа резервного элемента изделия в режиме ожидания.

Рассмотрим оптимизацию показаний надежности изделия, минимизируя его массу при заданной надежности

( )

( )

Где i - номер расчетного элемента изделия,

j - шаг оптимизации,

масса нерезервируемого изделия.

Оптимизация структурной схемы резервируемого изделия проводится последовательным наращиванием числа резервных элементов на каждом j-ом шаге оптимизации для каждого расчетного элемента от i=1 до j=N, (рис._.2)

Расчеты проводить в следующей последовательности:

Первый шаг, j=1.

а) каждому элементу схемы добавляем поочередно по одному резервному элементу и вычисляем надежность системы при резервировании каждого элемента в отдельности;

б) Вычисляем эффективность резервирования системы за счет каждого элемента в отдельности, приняв за критерий оптимизации относительный прирост вероятности безотказной работы системы на единицу веса [7]:

( )

в) Сравниваем все значения , выбираем наибольшее из них и оставляем в системе резерв элемента , для которого ,а резерв остальных элементов отбрасываем (рис.5.3)

г) для получившейся схемы, вычисляем вероятность безотказной работы и сравниваем ее с заданной

Если ,то считаем расчет законченным и полученную структурную схему, реализуем в функциональную.

Если , приступаем к следующему шагу оптимизации.

Второй шаг, j=2

Повторяем все операции предыдущего шага к полученной схеме и подобным образом определяем следующий резервируемый элемент. Этот процесс продолжается до такого j, пока не получим . Полученная резервная схема принимается за окончательную. Алгоритм расчета оптимальной прочности резервирования элементов при резервировании замещением приведен на рис.9.

Первый шаг,j=1.

а) в нашем случае является возможным добавить к 4,6 и 7 элементу схемы поочередно по одному резервному элементу и далее вычисляем надежность системы при резервировании каждого элемента в отдельности по формуле(6.5):

- резервный элемент к 4 элементу схемы (пироклапан):

1)0.988

2)

- резервный элемент к 6 элементу схемы (электроклапан):

1)0.9828

2)

-резервный элемент к 7 элементу схемы (редуктор):

1)

2)

Сопоставив полученные значения , выбираем наибольшее, в нашем случае первое, следовательно, в системе резерва оставляем пироклапан, а остальной отбрасываем.

В результате реализации данного алгоритма были получены следующие данные (таблица 5.2):

Таблица 4.2 Количество резервирующих элементов

Номер элемента	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17
Кол-во резервирующих элементов	1	1	1	2	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1

Надежность зарезервированной системы - 0,9888. Полученное значение коэффициента безотказной работы системы выше требуемого 0,98

4.2 Поверочный расчет физической надежности ускоряющего электрода

Ускоряющий электрод ИОС изготовлен из молибдена

Для определения физической надежности ускоряющего электрода ИОС можно воспользоваться следующей формулой [8]:

, ( )

где -предел длительной прочности материала ускоряющего электрода ИОС МПа;

-эквивалентное напряжение в наиболее нагруженной точке, МПа;

-среднеквадратичное отклонение эквивалентного напряжения в наиболее нагруженной точке:

МПа, ( )

-приведенная функция Лапласа,

Для определения среднеквадратичного отклонения эквивалентного напряжения в наиболее нагруженной точке необходимо найти факторы, от которых оно зависит.

Такими факторами будут:

S - расстояние между отверстиями

doтв - диаметр отверстий;

h - толщина электрода;

hk - толщина кольца;

c - радиус кольца;

b - радиус электрода.

Тогда выражение для определения среднеквадратичного отклонения эквивалентного напряжения в наиболее нагруженной точке можно найти по формуле:

, ( )

где, - среднеквадратичное отклонение расстояния между электродами ИОС, мм;

-среднеквадратичное отклонение диаметра отверстий ускоряющего электрода ИОС, мм;

-среднеквадратичное отклонение толщины ускоряющего электрода ИОС, мм;

-среднеквадратичное отклонение толщины кольца, = 0.006мм;

-среднеквадратичное отклонение внешнего радиуса кольца мм;

-среднеквадратичное отклонение радиуса ускоряющего электрода ИОС, мм;

Используя программу, написанную в MathCAD и формулы (см.раздел 3.1) определим частные производные от эквивалентного напряжения по соответствующим факторам:

Тогда:

Теперь можно определить приведенную функцию Лапласа[7] по формуле:

( )

Физическая надежность экранирующего электрода ИОС равна:

,

Полученное значение коэффициента безотказной работы электрода удовлетворяет требуемое по критерию физической надёжности.



8 СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Одной из центральных задач физики источников плазмы является исследование закономерностей энерговклада в плазму разряда и выявление областей параметров плазмы, при которых поглощение ВЧ мощности происходит наиболее эффективно. Индуктивный ВЧ разряд известен уже более ста лет. За эти годы накоплен огромный экспериментальный материал, построен ряд теоретических моделей, проясняющих механизмы поглощения ВЧ мощности[5]. Вместе с тем обзор литературы показывает, что вопрос о закономерностях вложения мощности в пространственно ограниченные индуктивные источники плазмы низкого давления, особенно при наличии магнитных полей, соответствующих условиям возбуждения геликоноподобной и квазипродольной косой ленгмюровской волн, исследован далеко не полностью[1,3]. Не изучено в полной мере влияние потерь ВЧ мощности во внешней цепи источников плазмы на свойства разряда[5,12].

Не потерял актуальности и вопрос о роли емкостной составляющей разряда в балансе мощности, поступающей в плазму индуктивного ВЧ разряда. Это означает, что отсутствует последовательная физическая модель пространственно ограниченных индуктивных источников плазмы малой мощности, которая описывала бы физические механизмы поглощения ВЧ мощности в широком диапазоне условий существования плазмы, проясняла бы влияние внешней цепи, а также емкостной составляющей разряда на величину энерговклада в плазму и ее параметры, как при отсутствии, так и при наличии внешнего магнитного поля[10]. Восполнить существующий пробел возможно только опираясь на фундаментальные исследования, т.е. эксперименты и численное моделирование, выполненные в широком диапазоне физических параметров, а также на сопоставление полученных результатов с выводами теоретических моделей. Исследование детальной картины поглощения ВЧ мощности плазмой индуктивного ВЧ разряда позволит создать основу для разработки перспективных моделей технологических источников плазмы[1,4].

В настоящее время известны источники плазмы, принцип действия которых основан на индуктивном ВЧ разряде без магнитного поля, а также на индуктивном ВЧ разряде, помещенном во внешнее магнитное поле с индукцией, соответствующей условиям электронного циклотронного резонанса (ЭЦР) или условиям возбуждения геликоноподобной и квазипродольной косой ленгмюровской волн. Как правило, радиус r ВЧ источников плазмы составляет величину 2 - 25см, длина L - от 3см до 50см. Диапазон изменения плотности плазмы ne~1*10 - 3*12 см3 при температуре электронов Те ~ 3 - 8эВ (3*4 - 9*4 К). Давление нейтрального газа p в источниках (за исключением источников света) изменяется от 0.1 до 10мТор. Магнитные поля изменяются от 0 до 1кГс. Рабочая частота лежит в диапазоне 1 - 100МГц. Наибольшее число данных в работе получено для рабочей частоты 13.56МГц. При рассмотренных условиях длина свободного пробега электронов больше характерного размера источника плазмы, частота столкновений электронов н при относительно небольших плотностях плазмы определяется частотой электрон - атомных столкновений vba, частота электрон-ионных столкновений vbi становится существенной лишь при плотности nde превышающей 10*12 см-3. Величина k*VTB, характеризующая черенковское поглощение (k -волновой вектор, VTB - тепловая скорость электронов), близка по величине к частоте электрон-атомных столкновений. Таким образом, вклад в поглощение ВЧ мощности вносят как столкновительный, так и черенковский механизмы[2,8].

Одним из важнейших вопросов организации плазменного технологического процесса является разработка источников плазмы, обладающих свойствами, оптимальными для данного технологического процесса, например, высокой однородностью, заданными плотностью плазмы, энергией заряженных частиц, концентрацией химически активных радикалов. Анализ показывает, что наиболее перспективными для применения в промышленных технологиях являются индуктивные ВЧ источники плазмы, так как они позволяют получать высокую плотность плазмы при относительно невысоком уровне ВЧ мощности, обрабатывать не только проводящие, но и диэлектрические материалы, использовать в качестве рабочих химически активные газы[2].

В настоящее время известно несколько типов индуктивных источников плазмы: это традиционные индуктивные источники плазмы без магнитного поля, где разряд возбуждается спиральной антенной, а также источники плазмы, усиленные магнитным полем. Очевидно, что развитие ионно-пучковых и плазменных технологий неизбежно приводит к повышению требований к возможностям и параметрам источников плазмы, дает новый толчок к переосмыслению концепций и усовершенствованию устройств. Такая работа может быть выполнена только на основе детального понимания физических процессов, происходящих в индуктивном ВЧ разряде при отсутствии и наличии внешнего магнитного поля.

Полученные результаты могут служить:

* для объяснения физических особенностей пространственно ограниченного индуктивного ВЧ разряда низкого давления и построения полной физической модели такого разряда;

* дают возможность оценить влияние внешней цепи индуктивного ВЧ разряда и его емкостной составляющей на параметры плазмы;

* являются научной базой при конструировании и выборе оптимальных режимов технологических источников плазмы низкого давления.

Геликон (греч. helix, род. падеж. helikos -- кольцо, спираль) -- низкочастотная электромагнитная волна, которая возникает в некомпенсированной плазме, находящейся во внешнем постоянном магнитном поле. Существование электромагнитных возбуждений геликонного типа в плазме твердых тел было предсказано в 1960 году: в металлах -- О.В. Константиновым и В.И. Перелем[21], в полупроводниках -- П. Эгреном[22]. Термин «геликон» был введен Эгреном и отражал круговой характер поляризации этой волны. Через год геликоны были экспериментально обнаружены в натрии[23]. В том же году было установлено, что так называемые «свистящие атмосферики» (вистлеры) представляют собой геликонные волны, распространяющиеся в газовой плазме ионосферы Земли.

Возможность распространения электромагнитных волн в хорошо проводящих средах в присутствии сильного магнитного поля можно пояснить следующим образом. В отсутствие магнитного поля в среде имеет место скин-эффект: под действием излучения с частотой, меньшей плазменной, возникают токи, которые экранируют электромагнитное возмущение и препятствуют его проникновению вглубь вещества. Магнитное поле ослабляет это экранирование, заставляя носители заряда под действием силы Лоренца двигаться более упорядоченно и мешая им эффективно реагировать на поле электромагнитной волны. Это дает возможность распространения в среде низкочастотных геликонов. В зависимости от соотношения длины свободного пробега носителей заряда и длины волны электромагнитного возбуждения выделяют «локальный» и «нелокальный» режимы распространения геликонов. Для рассмотрения каждого из этих случаев приходится применять различные теоретические и экспериментальные подходы. Среди множества индукционных источников плазмы низкого давления геликонный источник известен своей способностью генерировать наиболее плотную плазму [22]. На его основе были разработаны инструменты для разнообразных приложений, такие как плазмохимические реакторы для обработки материалов, газовые лазеры, космические движители большой и малой мощности, утилизаторы вредных отходов и др.

Генерация плазмы в геликонном источнике может быть повышена, по крайней мере, двумя способами. Применение спиральных или фазированных антенн дает рост пиковой плотности в 1,5…2 раза[3,4]. Этот метод имеет в основе направленное излучение геликонных волн и потому эффективен только в длинных источниках, а в коротких не приводит к какому-либо заметному эффекту [5]. Значительно большее увеличение плотности, до 5…7 раз, дает применение неоднородного магнитного поля с помещением антенны в области слабого поля [6,7].Объяснение для столь сильного эффекта обычно ищут в уменьшении фазовых скоростей геликонных волн, что должно облегчать захват электронов продольным электрическим полем и их ускорение до ионизующих скоростей. Эта гипотеза, однако, не находит однозначного подтверждения; в некоторых экспериментах при переходе от однородного к неоднородному магнитному полю плотность сильно растет, а фазовые скорости практически не меняются [7], а в других, наоборот, есть изменение фазовых скоростей, но нет заметного роста плотности [17].

Ранее полагалось, что вся мощность ВЧ генератора поглощается плазмой. В последние годы стало очевидным, что ВЧ разряд нельзя рассматривать изолированно, не учитывая влияние внешней цепи, а именно потерь мощности в системе согласования, индукторе, потерь на возбуждение индукционных токов в установочных фланцах, кожухе двигателя и т.д. В реальности мощность ВЧ генератора делится между двумя активными нагрузками: сопротивлением внешней цепи и плазмой, которую можно характеризовать ее эквивалентным сопротивлением. В рамках проектах предполагается повысить энергетическую эффективность ДУ в результате одновременного решения двух задач: понижения сопротивления внешней цепи и повышения эквивалентного сопротивления плазмы. Вторая задача может быть решена за счет оптимизации величины и конфигурации магнитного поля, подбора рабочей частоты и геометрических размеров двигателя. Дополнительным фактором, позволяющим обеспечить эффективный ввод ВЧ мощности в плазму, является использование гибридного ВЧ разряда, т.е. разряда, обладающего как индуктивной, так и емкостной компонентами. Использование ГР дает возможность сочетать достоинства индуктивного ВЧ разряда, позволяющего получать плотную плазму при относительно небольших вкладываемых в плазму мощностях, с возможностью оптимизации процессов ионизации за счет обогащения энергетического распределения электронов быстрыми частицами, предоставляемыми емкостным разрядом. Кроме того, использование ВЧ ГР позволяет обеспечить плавное изменение и регулировку параметров двигателя, облегчить поджиг разряда. Гибридный ВЧ разряд не требует наличия катода. Он может быть организован по схеме, когда электроды не имеют прямого контакта с плазмой. Таким образом, исключается эрозия конструктивных элементов, и обеспечивается высокий ресурс ВЧ ЭРЧ. Благодаря использованию электростатической системы ускорения ионов достигается высокий удельный импульс ДУ. А оптимизация параметров разряда позволяет получить высокий коэффициент использования рабочего тела и традиционно высокий КПД.

Наилучшие параметры двигателя достигаются при использовании тяжелых инертных газов, однако, эффективная работа двигателя возможна и при использовании других газов, в частности паров воды. Технические характеристики типового высокочастотного электрореактивного двигателя (ВЧ ЭРД):

Вид топлива: основной - ксенон.

Характеристики топлива - не токсично, взрывопожаробезопасно, не даёт вредных загрязнений на поверхности КА.

Диаметр двигателя -10см, 15см, 20см.

Удельный импульс - 3,800 c.

Тяга -5-100 мН.

Энергопотребление - 0,5 3кВт.

«Цена тяги» ~ 30Вт/мН.

Объемный расход - 5-20см3/с.

Возможности многократного запуска - количество запусков неограниченно.

Диапазон частот системы электропитания (ВЧ источников)- 10 - 100МГц.

В настоящее время в России и за рубежом в качестве двигателей коррекции КА, и маршевых двигателей, разрабатываются, главным образом, ионные двигатели, и ускорители с замкнутым дрейфом электронов (УЗДЭ).Основным преимуществом ионных двигателей перед УЗДЭ является более высокий удельный импульс (более 3800сек против 2500сек). В настоящее время ведутся работы по повышению удельного импульса УЗДЭ. Однако это приводит к снижению КПД устройства. Типичное для УЗДЭ значение КПД составляет величину 50%, в то время как КПД ионных двигателей превышает 75%. В пользу ионных двигателей говорит и высокий ресурс: 20000 часов против 10000 часов, характерных для УЗДЭ.

Основными типами ионных двигателей являются двигатели постоянного тока, ВЧ и СВЧ двигатели. Одним из основных факторов, снижающих ресурс ионных двигателей, работающих на разряде постоянного тока, является ограниченное время жизни катода, являющегося основным элементом двигателя. Значительно больший ресурс характерен для двигателей, рабочий процесс которых основан на высокочастотном разряде, не требующего наличия катода. В настоящее время хорошо известны прошедшие успешные летные испытания немецкие двигатели типа RIT, использующие индуктивный ВЧ разряд без магнитного поля[6,7]. Одним из недостатков двигателя RIT являются относительно высокие энергозатраты на поддержание разряда по сравнению с двигателями, работающими на разряде постоянного тока. Одной из возможных причин высоких энергозатрат на поддержание индуктивного ВЧ разряда являются потери во внешней цепи двигателя.

Новизна настоящего проекта состоит в реализации комплекса мер по понижению потерь мощности во внешней цепи разряда за счет самосогласованного выбора параметров системы ввода ВЧ мощности и оптимизации разряда. Существенным фактором, позволяющим понизить энергозатраты на поддержание ВЧ разряда, является использование внешнего магнитного поля, величина которого соответствует условиям резонансного возбуждения собственных плазменных волн[8,17]. В «геликонных» двигателях, разрабатываемых в США, вложение ВЧ мощности в плазму осуществляется за счет возбуждения бегущих геликонных волн. Это требует использования газоразрядных камер двигателей длиной, превышающих 1м, магнитных полей порядка 1 кГс и затрат ВЧ мощности на поддержание разряда не менее 1кВт. Также новизна проекта заключается в организации условий, при которых, во-первых, в разряде формируются стоячие волны, а, во-вторых, наряду с геликонами возбуждаются волны Трайвелписа-Голда, которые поглощаются плазмой значительно лучше, чем геликоны. Это дает возможность понизить длину газоразрядной камеры до 10-20см, величину магнитного поля до 15-300Гс, необходимую ВЧ мощность до 100-500Вт. Широкое распространение в качестве инструмента для различных плазменных технологий получили источники плотной низкотемпературной плазмы на основе высокочастотного индукционного разряда типа TCP (Transformer Coupled Plasma) [1,2]. В таких разрядах генерация плазмы в мегагерцовом диапазоне частот осуществляется при пониженном давлении рабочего газа (p ?2…3 мТорр) с помощью плоской антенны, накладываемой снаружи на диэлектрическое окно, ограничивающее с торца рабочий объем разрядной камеры из проводящего материала. К достоинствам таких источников относятся простота конструкции и эксплуатации, возможность получения плазмы высокой плотности (n1012см-3) с большим сечением (30) и высокой степенью однородности, что обеспечивает достаточно высокую скорость и качество обработки изделий с большой поверхностью. Недостатком данных систем является то, что область вклада ВЧ-мощности ограничивается скин-слоем порядка сантиметра вблизи антенны. Это делает проблематичной возможность дальнейшего повышения плотности плазмы и накладывает весьма стеснительные ограничения на конструкцию рабочих устройств. Затруднено также возбуждение разряда и поддержание устойчивой работы источника при пониженных давлениях газа.

Эти трудности могут быть преодолены путем помещения разрядной камеры во внешнее магнитное поле умеренной напряженности [3,4]. При этом существенно изменяется физическая природа индукционного разряда вследствие возбуждения в плазме волн и развития разряда геликонного типа. Такая модифицированная разрядная система может соединить преимущества TCP традиционного геликонного разрядов и стать удобным инструментом для различных приложений.



9 STRUCTURE TECHNOLOGICAL ANALYSIS OF PART DRAWING

9.1 Structure technological analysis of part drawing

Manufacturing process for gear wheel production is developed in this Course Project. Gear wheel serves for torque transfer.

The article is a solid of revolution. Part profile is complex: there are no curvilinear sections, but slot is present. Overall part dimensions include: length 16 mm and diameter 32 mm.Part length to diameter ratio is small, that insures sufficient hardness during machining of its centers.

Based on gear wheel working conditions (cyclical loads and high contact stress on teeth), alloyed steel 30ХГСА.was chosen for part production. Chemical composition of this material:

Spring is produced from steel 30ХГСА GOST 2590-2006.

It is heat resistant, relaxation resistant, limitedly welding steel. Welding is possible when heating to temperatures 100-200° C and subsequent thermal treatment.

Chemical composition of steel 30ХГСА in percent

C	Si	Mn	Cu
0,28- 0,34	0,9 - 1,2	0,8 -1,1	0 - 0,3

Ni	S	P	Cr
0 - 0,3	0 - 0,025	0 - 0,025	0,8 - 1,1

Mechanical properties of steel 30ХГСА at T=20°C

	уB, MPa	уT, MPa	д5, %	ш, %
Bar	1080	830	10	45

уB - ultimate short-time strength;

уT - proportional limit;

д5 - failure elongation;

ш - relational contraction.

Hardness of hot-rolled annealed material - HB = 22,9 MPa;

thermal treatment - quenching 880 °C, lubricant, tempering 540°C.

Physical properties of steel 40ХФА

T	E 10-5	б 106	л	с	C	R 109
°C	MPa	1/°C	W/(m·grad)	kg/m3	J/(kg·°C)	Щ·m
20	2,15	-	38	7850	-	210
100	2,11	11,7	38	7830	496	-
200	2,03	12,3	37	7800	504	-
300	1,96	12,9	37	7760	512	-
400	1,84	13,4	36	7730	533	-
500	1,73	13,7	34	7700	554	-
600	1,64	14	33	7670	584	-
700	1,43	14,3	31	-	622	-

Let us calculate mean accuracy degree of all part surfaces:

, ( )

where m represents total number of surfaces with the same accuracy degree, ni - number of surfaces with the same accuracy degree, Ti - accuracy degree of surface i.



Let's define precision factor:

Using the criteria we conclude, that the part machined is manufacturable.

Most surfaces roughness is Rz 40. Smaller gear orifice and top crest faces roughness is Rz 2.5 roughness. We'll determine the mean roughness level for the part given:

, ( )

where m is total number of surfaces with the same roughness level, ni - number of surfaces with the same roughness level, Шi - roughness level of surface i (Rz).

,

Let's find roughness factor:

Hence, part design analysis allows making conclusion about the possibility of manufacturing under typical engineering industry conditions.



9.2 Blank manufacturing method

Choosing the blank should satisfy one basic requirement - required part quality should be achieved at lowest cost.

Part manufacturing methods are defined by technological properties of material, by part shape and dimensions.

When choosing blank for a part, blank manufacturing method is assigned, configuration, dimensions, tolerances, machining allowances are defined and technical conditions for its manufacturing are specified. Taking into consideration conditions mentioned above, we choose open die stamping on hot forging press to be used for part manufacturing. This method provides relatively accurate blanks without parting plane shift, with small allowances and high productivity. Main disadvantage of this method is oxidation of forged piece surface.

Hot forging provides 15th finish of accuracy and Rz 80 sharpness.

9.3 Development of route manufacturing process

9.3.1 Designing of route machining plan

Given characteristics of dimensions accuracy, shape and surface quality allow to determine required quantity and types of machining. In our case it is necessary to provide 15th 13th, 12th ,10th and 7th accuracy classes, therefore we use following operations:

rough operation;

semifinish operation;

finish operation.

9.3.2 Calculation of manufacturing steps and number for basic surfaces machining

These calculations are performed with application of two parameters: accuracy and surface roughness, using the following equations:

necessary steps quantity for providing dimension accuracy:

For diameters the values of na and nR are compared and the larger value is chosen. For face surfaces calculation of only nR is performed. Calculated values are rounded. Accuracy classes are distributed among manufacturing steps according to the rule of progressive decrease.

, ( )

where:

Тb - blank dimension allowance;

Тp - part dimension allowance;

necessary steps for providing given surface roughness:

( )

where:

Rzb - roughness of blank surface:

Rzp - roughness of part surface;

For example, let's calculate the necessary manufacturing steps for the surface 3.

Diameter of the part is 18 mm, diameter of the blank is 21.07 mm.

Roughness of the blank is Rz 80, tolerance 800;

Roughness of the part is Rz 40, tolerance 210.

Let's calculate na and nR:

( )

Calculated values na and nR should be rounded in such a such way:

;

Now it's known how many manufacturing steps are necessary, we need to distribute the accuracy class, tolerance and roughness among these steps, using the rule of progressive decrease. So for this example we need to distribute these values in 5 steps.

The distribution for Rz:

For accuracy class:

For tolerance:

In the same way the necessary manufacturing steps and the distribution of Rz, accuracy class and tolerance for each of the surfaces were obtained.

In dependence of the accuracy, blank and part roughness, and calculated values of na and nR, it is possible to find recommendations for machining methods. The results of these calculations are plotted at the Table 1.

9.4 Development of the plan of manufacturing process

9.4.1 Description of the structure of the manufacturing process

The preliminary plan of a new manufacturing process is developed using a typical manufacturing process or using as base a structure chart of manufacturing process.

In our case exist structure charts that describe the machining of parts for gear-shaft type, it consist of:

rough machining: rough machining of basic surfaces and others. Removing of the surface defects and equalization of allowance for further machining;

finish machining: finish machining of the surfaces that require high quality, produce threads, splints, etc. In general at this stage all the complex parts are produced. All the requirements of surface accuracy are provided and the surface finish is performed.

9.4.2 Selection of manufacturing datum

The selection of datum is very important; the correct selection will automatically lead to produce the desired final product and fulfilling of all the design specifications.

The datum is classified on three classes:

design datums;

manufacturing datums;

measuring datums.

The main requirements that must satisfy any datum are:

reliable clamping of the work piece, especially in the first operation;

rough datum must be used only once;

mounting datum (which determines the position of the work piece) and initial datum (used to coordinate the work piece) should coincide in the most machining operations as possible;

if the working surfaces are machined in one operation, will get the best accuracy of relative position.

The most important function of the datum in the 1st operation is to ensure safety; it means that the piece won't be unclamping causing injuries to the worker. For such purpose is necessary to select the surface that has the largest length and maximum diameter.

With the aim of improve the accuracy of machining and reduce the variety of work holding devices, is necessary to use the principle of superposition. Another principle to be used is the principle of constancy; it means that the mounting, design, measuring and initial datum are the same.

Using this two principles and considering the requirements of the datum; was designed the preliminary plan of manufacturing process.

9.4.3 Allowance and operational dimensions calculating

Main definitions and terms

At machining the material layer, that should be removed as the result of all operations provided by manufacturing in mechanical engineering for obtaining necessary roughness and accuracy, given by drawing and technical requirements.

Total allowance is equal to sum of operational allowances.

, ( )

where zi -- operational allowances; n -- number of operations.

Operational allowance is a layer of material, removed after current operation.

As surface machining allowances cannot be kept absolutely exactly, thus the tolerance must be assigned.

Operational tolerance is the given accuracy of machining. It determines the allowed fluctuation of operational allowance and operational dimension. Tolerance band as a rule is directed inside the part body. First stage of machining is the only exception.

Taking into account allowance as material layer needed to be removed and tolerance as an allowed allowance fluctuation, it is necessary to distinguish minimal nominal and maximal allowances.

Minimal allowance for current machining stage is equal to the material layer, needed to be removed at that stage, only in case of complete tolerance usage of previous stage, and there is not need to use allowance in this stage.

Algorithm of the analytical method

The analytical method uses the following algorithm

The values of 2Zmin are calculated from the formula

, ( )

, ( )

The required values of Rz, h, сdisp, сwarp, еm are found in handbooks and specified by production engineer according to the sequence of manufacturing steps.

Using the value of diameter and the degree of accuracy the tolerance is obtained for every manufacturing step.

2Znom is obtained using the formula: 2Znom.i = 2Zmin + дi-1

Dnom is obtained using the formula: Dnom, i-1=Dcalc.i + 2Znom

Obtained in previous calculation value is rounded, it is called Dmax

Dmin is calculated using the formula: Dmin.i = Dmax.i - Ti

2Zmax is obtained:

For shaft: 2Zmin.i = Dmin.i-1 - Dmax.i; 2Zmax.i = Dmax.i-1 - Dmin.i

For holes: 2Zmin.i = Dmin.i - Dmax.i-1; 2Zmax.i = Dmax.i - Dmin.i-1

Finally, the operational dimension must be written as: Dcorcal-д.

Algorithm of the normative method

According to normative method the minimal value of machining allowance is taken from manufacturing handbook. Calculated diameter can be found from the formula:

for shaft:

, ( )

for hole:

, ( )

Calculated dimension is corrected (rounded) according to the accuracy of definite manufacturing step. Adopted dimension is corrected calculated diameter:

for shaft:

for hole:

Then

Adopted allowances will be:

for shaft:

( )

for hole:

( )

where and - maximal and minimal diameters of workpiece at the previous operation, respectively; and - maximal and minimal diameters of workpiece at this operation, respectively.

Operational dimensions are specified in such a manner that they coincide with maximal diameter (for shafts) or minimal diameter (for hole) and tolerance is “in the metal”.

Advantage of normative method - simpler and less labor-intensive.

Disadvantages - losses of material, machining, time, energy, etc.

This method is more suitable for small production runs.

Using these formulas let's calculate operational dimensions and allowances for the surfaces of rotation. The results are presented in the table 2.



9.5 Calculation of allowances and operational dimensions at face machining

Using diagram of dimensional links of manufacturing process obtain following equations:

Solution of manufacturing dimensional chains is produced by method of “maximums and minimums”.

The method used to solve the manufacturing dimensional chain depends on that, what is a closing link of dimensional chain, design dimension or allowance.

The formula to solve it has the following view:

, ( )

In this case the general formula is decomposed in three linear equations with one unknown:

- nominal value of dimension;

- upper limit of dimension;

- lower limit of dimension.

Upper and lower limit are calculated according to the cross-wise diagram paying attention to the signs of limits of constituent dimensions

If the closing link is an operational allowance, the value of its Zmin is determined from reference tables or is calculated. Then the initial equation is rearranged relative to the Zmin

, ( )

where:

- minimal limit values of increasing consti tuent links;

- maximal limit values of decreasing constituent links.

Since each manufacturing dimensional chain contains only one unknown constituent link, it is necessary to solve the equation with one unknown Sjmin or Sqmax

Once that we know the value of Sjmin or Sqmax, is necessary to specify the tolerance for this dimension, the tolerance depends on the manufacturing step (rough, finish or fine machining) usually for rough machining the tolerance is 14-12 accuracy class, for finish 9-8.

For determination of allowance and its limits the initial equation of dimension chain is set up with writing of limits of all constituent links;

, ( )

It is decomposed in three linear equations with one unknown:

- nominal value of allowance;

- upper limit of allowance value;

- lower limit of allowance value.

For example, let's solve the following dimensional chain:

[Z11]=S8-S10

This dimensional chain can be written, as following:

Z11min=S8min-S10

Then, the value of Z17 is obtained from reference tables, we look in the dimensional diagram that this allowance will be removed in the operation 10, it corresponds to rough turning, set accuracy class 14, then from these tables we obtain: Z11=0.07 mm.

In this case the unknown constituent link is:

S8min = S10max +Z11min = 6.6+0.07=6.67mm.

Then using reference tables we find the tolerance for this allowance, taking into account the diameter and accuracy class.

T=0.021mm.

Therefore, the value of S8max is:

S8max = S8min+T = 6.67+0.021=6.69-0.021mm.

Then we must write this value in one convenient way to make it easy to understand:

S3 = 6.69-0.021

In the same way were solved all the dimensional chains. All calculated results are represented in table 4.

88

10 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

10. 1 Расчет защитного заземления

Защитное заземление - преднамеренное соединение с землей металлических частей оборудования, не находящихся под напряжением в обычных условиях, но которые могут оказаться под напряжением в результате нарушения изоляции установки.

Установка для проведения испытаний бортовой аппаратуры регулирования и контроля СЭС включает в себя, систему электропитания с напряжением 380 В. Это обстоятельство определяет необходимость расчета защитного заземления

(ГОСТ 12.10.030-81).

Элементы заземления выполняются из стальных и медных элементов конструкции. Напряжение прикосновения определяется напряжением пары “корпус-земля”.

(9.1);

где:

Iз - ток заземления при замыкании фазы на корпус, А;

Rз - сопротивление заземлительного устройства, Ом.

Заземление обеспечивает безопасность работы при превышении потенциалом корпуса допустимого потенциала. Допустимое сопротивление заземление установки с напряжением до 1000 В составляет: Rз=3.6 Ом.

В качестве заземлительного устройства используем трубу длиной l=2 м и диаметром d=0.04 м.

Удельное сопротивление грунта с учетом климатического коэффициента составляет:

(9.2);

где:

- удельное сопротивление грунта (=30 Ом·м - для чернозема);

i - климатический коэффициент (i=1.32 - для средней климатической полосы).

Тогда

Омм.

Сопротивлением растеканию тока одиночного вертикального заземлителя составит:

Ом. (9.3)

Число вертикальных заземлителей с учетом коэффициента использования заземлителей тр=0.7 рассчитываем как:

. (9.4);

Принимаем n=7 шт.

Определим длину соединительной стальной ленты:

lл=1.05 2 l n=1.05 2 2 7=29.4 м.

Сопротивление растекание тока стальной соединительной полосы составит:

(9.5);

где:

b - ширина полосы, принимаем b=0,05 м,

тогда:

Ом.

Общее сопротивление растеканию:

(9.10);

где:

п=0.45 - коэффициент использования полосы.

Ом.

Это сопротивление удовлетворяет условию RобщRЗ=3.6 Ом, что является гарантией безопасности работы людей на установке при проведении испытаний.

Установка является экологически чистой, т.е. вредные вещества при ее изготовлении не используются, при проведении испытаний вредные вещества не образуются, поэтому отдельных мероприятий по охране окружающей среды не требуется.

Мероприятия по охране труда, проводимые входе эксплуатации двигательной установки для искусственного спутника земли, а также выполнение вышеуказанных мер по технике безопасности, ведут к максимальному уменьшению опасности жизнедеятельности людей при работе на данной установке.



11 Расчет себестоимости и цены производства детали электрод

Себестоимость изделия включает в себя стоимость сырья, материалы, топливо, амортизацию, заработную плату и др.

Себестоимость показывает, во что конкретно обходится предприятию изготовление изделия, она отражает уровень технической оснащенности предприятия, использование материальных ресурсов, уровень производительности труда, показывает, на сколько эффективно используются средства труда, предметы труда.

Для расчета себестоимости одной детали производится расчет сметы затрат на производство и калькулируется себестоимость изделия.

Смета затрат на производство цеха отражает все затраты на программу выпуска. Все производственные затраты подразделяются на прямые и косвенные.

К прямым относятся расходы, которые можно непосредственно рассчитать на единицу изделия.

К косвенным относятся расходы, которые невозможно или нецелесообразно рассчитывать на конкретное изделие (например, расходы на содержание и эксплуатацию оборудования, цеховые расходы). Косвенные расходы цеха рассчитываются на год на весь объем работы на этот период.

Составление сметы затрат на производство по калькуляционным статьям расходов дает возможность рассчитать проценты косвенных расходов, которые используются при калькуляции себестоимости изделия.

В данной работе будем проводить расчет себестоимости детали - наружного электрода прямоточного электрореактивного двигателя.

Расчет себестоимости наружного электрода будем производить при следующих данных:

Марка материала внешнего электрода - молибден Мо,

Стоимость одного килограмма материала равна 400 грн,

Определим норму расхода материала, Нр, кг.

В качестве заготовки наружного электрода используется штамповка:

Для определения нормы расхода материала определим массу заготовки наружного электрода:

где:

- плотность материала наружного электрода, = 103 кг/м3;

- объем заготовки,

Отсюда норма расхода материала равна:

Т.е.

Получим чистый вес наружного электрода:

Таким образом

10.1 Определение стоимости основных материалов

Основные материалы Мо:

где:

Нрасх - норма расходов основных материалов на единицу изделия;

Нрасх = 0.036кг;

Цом. = 400 грн/кг - цена основных материалов (Мо);

Мо = 0.036400 =14.4 грн.

Покупных, комплектующих изделий и полуфабрикатов нет.

Возвратные отходы:

Вотх = НотхЦотх., ( )

где:

Нотх - норма отходов на единицу изделия, Нотх=0.014кг;

Цотх = 205 грн/кг - цена отходов;

Вотх = 0.014•205 = 2.87 грн.

Основная (прямая) зарплата производственным рабочим Зпр:

Зпр = l•t., ( )

где:

l = 12 грн/ч - средняя часовая ставка производственного рабочего;

t = 2 ч - трудоемкость одного изделия.

Зпр = 2•12 = 24 грн.

Дополнительная зарплата производственным рабочим Здоп:

Здоп = (30…40)%Зпр., ( )

Имеем:

Здоп = 0.35•24 = 8.4 грн.., ( )

Отчисления:



Сотч = 37.5%(Зпр+Здоп), ( )

Сотч = 0.375(8.4 + 24) = 12.15 грн, ( )

Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования:

Рс.е. = % р.с.з.оЗпр/100,. ( )