Российскому подводному флоту высокоресурсные уплотнительные устройства!

 

ПОВЫШЕНИЕ ЖИВУЧЕСТИ   ПОДВОДНОГО ФЛОТА, НАХОДЯЩЕГОСЯ В ДЛИТЕЛЬНОМ АВТОНОМНОМ ПЛАВАНИИ, ПУТЕМ  БЕЗРАЗБОРНОГО  ВОССТАНОВЛЕНИЯ  РАБОТОСПОСОБНОСТИ ОТКАЗАВШИХ  КЛАПАННЫХ  УПЛОТНЕНИЙ ЕГО ПНЕВМОГИДРОСИСТЕМ  ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ

Мулюкин О.П., доктор технических наук, профессор  

          Выполняющий стратегическую или тактическую задачи и находящийся в длительном автономном плавании подводной флот, -  дизельные или атомные подводные лодки, - относится к энергетическим установках (ЭУ)  с непрерывным производственным циклом (время или длительность автономного плавания)  до завершения которого остановка объекта для проведения планово-предупредительных и ремонтных работ по восстановлению работоспособности или замены  отказавшего агрегата или его уплотнительного узла путем отсоединения от пневмогидросистемы объекта для последующей разборки корпусной арматуры недопустимы условиями эксплуатации и небезопасны для обслуживающего корабль экипажа.

         Примечание. К энергетическим установкам с непрерывным производственным циклом помимо подводного флота  следует также отнести летательные аппараты; орбитальные космические станции, объекты химического производства с регламентируемым по времени  синтезом или распадом компонентов химических реакций и управляемые ядерные установки. В ряде случаев прямая, вне сборочного участка предприятия-изготовителя,  разборка агрегата при работающей ЭУ недопустима из-за токсичности или горючести при соединении с воздухом рабочей среды или  значительных ее потерь при разборке и сборке  ремонтируемого агрегата. Особые ограничения на условия сборки и разборки агрегатов ряда ЭУ накладывает радиоактивность используемой рабочей среды.

     Не секрет, что наиболее слабым звеном  пневмогидросистем  объектов подводного флота являются  уплотнительные  соединения гидропневмотопливных агрегатов (ГПТА), и, в частности, клапанные уплотнения (КУ) агрегатов  системы жизнеобеспечения подводного корабля, в том числе системы  воздухоснабжения членов экипажа от бортовых источников сжатого воздуха.

      В связи с этим отметим, что  ещё в советское время  был отмечен интерес проектировщиков клапанных гидропневмотопливных агрегатов  (ГПТА) к разработке конструкций с автоматической или механической заменой отказавшего клапанного уплотнения  (КУ) на новое из встроенного в агрегат блока запасных частей таких уплотнений без демонтажа  агрегата, содержащего отказавшее уплотнение, из пневмогидротопливной системы, заполненной рабочей средой [1, 2]. Однако, практика показывает, что в ряде случаев (разряженность бортовых источников электроэнергии, нарушение целостности электропитающих сетей и др.) более целесообразно использование ГПТА  с механической (ручной) заменой отказавшего КУ на новое из блока запасных частей.

    Отдельной разновидностью создания ГПТА такого рода является  направление  разработки под руководством проф. О.П.Мулюкина  новых конструкций ГПТА  с блоком запасных КУ в виде дисковых седел  [1, 6].

   Одна из авторских разработок такого ГПТА в виде предохранительного клапана с блоком запасных КУ представлена на рисунках 1-3.

 

Рисунок 1 – Продольный разрез предохранительного клапана с блоком запасных клапанных уплотнений

Рисунок 2 -  Разрез А-А предохранительного клапана на рисунке 1

Рисунок 3 – Вид В предохранительного клапана на рисунке 1

           Устройство включает корпус 1, загерметизированный в нем при помощи уплотнения 2 штуцер подвода давления рабочей среды, и штуцер 4 отвода избыточного давления из устройства.

           Между указанными штуцерами в корпусе 1 сцентрирован уплотненный клапан-поршень 5, нагруженный пружиной 6 в сторону одного из четырех клапанных уплотнений 7, жестко закрепленных в квадратоподобном дисковом седле 8, которое размещено в квадратоподобном пазе 9 корпуса 1 и через шлицевое соединение кинематически связано с резьбовым регулировочным элементом 11. Этот элемент имеет уплотненный в корпусе 1 хвостовик 12, окончание которого 13 жестко при помощи сварки соединено с маховиком 14.

           В маховике 14 выполнено четыре отверстия 15, в одно из которых заводится цилиндрическое окончание резьбового подпятника 16. Фиксация положения подпятника 16 относительно корпуса 1 осуществляется контровочной проволокой при помощи пломбы 17. Пломба 18 фиксирует постоянство взаимного положения деталей 1 и 2.

          Принцип работы устройства заключается в следующем.

          В исходном положении (рисунок 1, 3) пружина 6 поджимает клапан-поршень 5 к клапанному уплотнению 7 дискового седла 8 и исключает прохождение рабочей среды с «Входа» на «Выход»  при конкретно заданном давлении.

          При росте величины входного давления рабочей среды сверх заданного, она отжимает клапан-поршень от клапанного уплотнения 7 дискового седла 8, и избыточное давление рабочей среды перепускается с «Входа» на «Выход» устройства. Вследствие этого давление рабочей среды на «Входе» устройства уменьшается, и при достижении им заданной величины пружина 6 поджимает клапан-поршень 5 к клапанному уплотнению 7 дискового седла 8, что отсечёт перепуск рабочей среды с «Входа» на «Выход» устройства.

          При выработке клапанным уплотнением 7, находящимся в контакте с клапаном-поршнем 5,  ресурса (оценивается, как правило, по сверхнормативному уровню перетечек рабочей среды со стороны «Выход» при заданном ее давлении) производят механическую замену клапанного уплотнения 7 на новое в следующей последовательности:

           1. Удаляют контровочную пломбу 17, а резьбовой подпятник 16 ввинчивают в корпус 1 до упора. При этом, во-первых, сферическая законцовка резьбового подпятника 16, воздействующая на коническую поверхность клапана-поршня 5, преодолевая усилие пружины :, отожмет его на некоторое (заранее заданное) расстояние от торцевой поверхности клапанного уплотнения 7. Во-вторых, при этом цилиндрическое окончание подпятника 16 полностью выйдет из фиксирующего отверстия 15 маховика 14.

           2. Вращением маховика 14 против часовой  стрелки переводят его (поворотом на 90^о) в новое положение, при котором отверстие 15 (номер «2» на рисунке 3) встанет соосно относительно цилиндрического окончания подпятника 16.

           3. Подпятник 16 вывинчивают из корпуса 1 до вхождения его цилиндрического окончания в отверстие 15 под номером «2».

           4. Осуществляют фиксацию указанного  положения подпятника  16 относительно корпуса 1 при помощи новой контровочной пломбы 17.

           В дальнейшем устройство работает на данном клапанном уплотнении до выработки им ресурса или до возникновения в нем дефекта.

              При последующей эксплуатации ЭУ   аналогично вводятся поочередно в работу ещё два оставшихся запасных клапанных уплотнений (см. номера «3» и «4» отверстий 15 на маховике 14).

              Введение в конструкцию кинематического зацепления «резьбовой подпятник 16 – маховик 14 – хвостовик 12» обеспечивает решение двух задач:

              - исключает повреждение уплотнительным пояском клапана-поршня 5 клапанного уплотнения 7 при повороте дискового седла в новое положение;

              - исключает возможность углового смещения дискового седла 8 под действием усилия герметизации в зоне «клапанное уплотнение 7 седла 8  -  клапан-поршень 5».

          Другим примером конструкторской реализации  рассмотренного выше направления  создания клапанных ГПТА с блоком запасных уплотнений является  разработанный под руководством автора предохранительный клапан, представленный на рисунках 4-7.

Рисунок 4 – Главный вид предохранительного клапана с реечно-зубчатым механизмом смены в эксплуатации выработавшей ресурс рабочей зоны клапанного уплотнения  на новую

Рисунок 5 – Продольный разрез А-А устройства на рисунке 4

Рисунок 6 – Выносной элемент I устройства на рисунке 4

Рисунок 7 – Аксонометрическое изображение реечно-зубчатого зацепления 19,22 устройства на рисунке 4

            Разработанное устройство включает собственно пружинный предохранительный клапан (поз. 1-12 на рисунке 4) и реечно-зубчатый механизм поворота седла с  жестко закрепленным в нем клапанным уплотнением (поз. 13-40 на рисунках 5 и 6).

           Конструкция устройства включает корпус 1 с штуцером 2 подвода рабочей среды со стороны «ВХОД» и загерметизированный в корпусе 1 при помощи уплотнения 11 резьбовой штуцер 10 для отвода рабочей среды со стороны «ВЫХОД». Фиксация неизменности положения штуцера 10 относительно корпуса 1 осуществляется при помощи контровочной пломбы 12.

            Между штуцерами 2 и 10 во внутренней полости корпуса 1 размещено составное седло в виде запрессованных друг в друга элементов 3 и 4 с обеспечением жесткого крепления между ними клапанного уплотнения 5 со сферической наружной поверхностью.

            Клапанное уплотнение 5 частью своей сферической наружной поверхности (в дальнейшем именуемой рабочей зоной КУ) введена в контакт со сферическим торцем запорного органа 6, сцентрированного в корпусе 1 и уплотненного по месту контакта с ним при помощи уплотнения 7, а также нагруженного через шайбу 8 цилиндрической пружиной сжатия 9.

          Составное седло с одного из торцев при помощи хвостовика элемента 4 центрируется в направляющей втулке 13, запрессованной во внутренней полости переходника 14. Герметизация переходника 14 в корпусе 1 осуществляется при помощи уплотнения 15, а его фиксация – при помощи проволочной контровочной пломбы 16.

          Торец другого элемента 3 составного седла имеет квадратоподобный паз, в котором размещен квадратоподобный  хвостовик 17 штока 18, жестко соединенного с зубчатым колесом 19. Другой хвостовик 20 зубчатого колеса 19 сцентрирован в направляющей втулке 21, запрессованной во внутренней полости корпуса 1.

           Зубчатое колесо 19 введено в зацепление с зубчатой рейкой 22, переходящей в поршень 23, уплотненный в корпусе 1 при помощи уплотнения 24.

           Торец поршня 23 введен в контакт со сферической законцовкой хвостовика 25 резьбового элемента 26, хвостовик 27 которого выполнен с законцовкой 28, жестко, при помощи сварки, стыкуемой с маховиком 29. В теле маховика 29 выполнен ряд сквозных отверстий 30 для заведения в одно из них проволоки для проволочной контровочной пломбы 31, фиксирующей неизменность положения резьбового элемента 26 относительно корпуса 1.

          Один из торцев маховика 29 введен в контакт с торцем сцентрированного в корпусе 1 плунжера 32 с выполненными на его наружной поверхности четырьмя круговыми рисками 33 под номерами «1», «2», «3» и «4», которые образуют с риской Т на торце корпуса 1 лимбическую шкалу, используемую, как будет показано ниже, для перевода элементов 3, 4 седла, а, следовательно, и рабочей зоны клапанного уплотнения 5 в нужное угловое положение.

           Плунжер 32 выполнен с резьбовым хвостовиком 34, заканчивающимся  квадратоподобной  законцовкой 37 для приложения момента вращения к плунжеру 32 для последовательного совмещения  с центральной риской Т сначала кольцевой риски «1», далее – риски «2», потом – риски «3», и, наконец, - риски 4.

           В исходном положении на лимбической шкале (см. рисунок 5) зафиксировано совпадение центральной риски Т с кольцевой риской «1», что соответствует контакту запорного органа 6 с первой рабочей зоной клапанного уплотнения 5, площадь которой равна площади поверхности, описываемой наружным диаметром сферического торца запорного органа 6.

          Фиксация положения плунжера 32 (и, соответственно, находящейся напротив центральной риски Т одной из кольцевых рисок  «1», «2», «3» или «4») относительно корпуса 1 производится при помощи гайки 35 и контгайки 36.

          Месторасположение четырех кольцевых рисок «1» - «4» на плунжере 32 определено из условия осевых перемещений вращающегося маховика 29, а, следовательно, рейки 22 на заданные фиксируемые величины для обеспечения нахождения поворотного седла 3,4, и, следовательно, клапанного уплотнения 5 в одном из 4-х возможных угловых положениях относительно сферического торца запорного органа 6. При этом учитывалост, что на наружной поверхности клапанного уплотнения 5 в окружном направлении можно разместить не более 4-х рабочих зон, поочередно вводимых в контакт со сферическим торцем запорного органа 6, ибо, как указывалось ранее, площадь рабочей зоны Ку равна площади поверхности, описываемой наружным диаметром кольцевого сферического торца запорного органа 6.

          Для исключения самопроизвольного поворота рейки 22 относительно зубчатого колеса 19 рейка 22 снабжена квадратоподобной законцовкой 38, сцентрированной в квадратоподобном пазе 39 корпуса 1, который загерметизирован при помощи сварки заглушкой 40.

Принцип  работы устройства и  смены рабочей зоны в КУ (при выработке ей гарантированного ресурса или непредвиденного отказа КУ, характеризуемого сверхлимитным расходом протечек рабочей среды через нагруженное усилием герметизации уплотнение) заключается в следующем.

          При заданном (расчетном) значении  давления рабочей среды на «ВХОДЕ» устройство находится в закрытом положении, то есть запорный орган 6 поджат пружиной 9 к клапанному уплотнению 5 седла3,4, и  рабочая среда на «ВЫХОД» не поступает.

          При росте давления рабочей среды на «ВХОДЕ» сверх заданной величины рабочая среда, преодолевая усилие пружины 9, отжимает запорный орган 6 от клапанного уплотнения 5, и избыточное давление рабочей среды на «ВХОДЕ» дренируется со стороны «ВЫХОД». Следствием этого явится понижение давления рабочей среды на «ВХОДЕ»  до заданной величины. В этот момент, под  действием усилия пружины 9 запорный орган 6 переместится до посадки на клапанное уплотнение 5 седла 3,4, и тракт  «ВХОД» - «ВЫХОД» перекроется.

           При выработке рабочей зоной клапанного уплотнения 5 гарантированного ресурса механически (вручную) без демонтажа  предохранительного клапана из пневмогидросистемы  работающего объекта по жесткому во временном отношении регламенту производится оперативная смена указанной рабочей зоны КУ на новую  в следующей последовательности:

           1. Удаляется проволочно-контровочная пломба 31, фиксирующая положение контакта торца маховика 29 с торцем плунжера 32, кольцевая риска «1» которого, согласно лимбической шкале находится напротив центральной риски Т.

           2. «Расслабляются» (отвинчиваются поочередно) гайка 35 и контгайка 36, и вращением законцовки 37 осуществляют перемещение плунжера 32 до совмещения кольцевой риски «2» с центральной риской Т. Указанное положение плунжера 32 относительно корпуса 1 фиксируется последующей затяжкой гайки 35 и контгайки 36 при одновременном удержании от проворота квадратоподобной законцовки резьбового хвостовика 34.

           3. Далее вращением маховика 29 перемещают его относительно корпуса 1 до упора его торца в торец 32, и устанавливают новую проволочную контровочную пломбу 31.

           Охарактеризуем происходящее при вращении маховика 29 кинематическое взаимодействие элементов реечно-зубчатого зацепления 19,22 с составным седлом 3,4, и, соответственно, с клапанным уплотнением 5.

           Итак, при вращении маховика 29 (до упора его торца в торец плунжера 32, кольцевая риска «2» которого совпадает с центральной риской Т) происходит вращение и осевое перемещение резьбового элемента 26, а, следовательно, и сферической законцовки его хвостовика 25, на некоторый ход.

           Очевидно, что на этот же ход переместится вверх поршень 23 и жестко связанная с ним зубчатая рейка 22.

           Указанное  осевое перемещение рейки 22, находящейся в зубчатом зацеплении с зубчатым колесом 19, обеспечит поворот последнего в новое положение  (на 90⁰  относительно предыдущего положения), то есть произойдет смена рабочей зоны клапанного уплотнения на новую зону, причём, как указывалось ранее, на клапанном уплотнерии5 в окружном направлении размещается не более 4-х возможных, вводимых поочередно с течением времени, рабочих зон.

          При выработке ресурса второй рабочей зоной клапанного уплотнения 5 в последовательности, охарактеризованной выше, перестраивают лимбическую шкалу в положение «центральная риска Т – кольцевая риска «3», и вращением маховика 29 вводят в работу (в контакт с сферическим торцом запорного органа 6) третью рабочую зону клапанного уплотнения 5.

          При выработке ресурса третьей рабочей зоной клапанного уплотнения 5 в соответствие с вышеописанной последовательностью в работу вводится последняя рабочая зона клапанного уплотнения 5, соответствующая положению лимбической шкалы: «центральная риска Т – кольцевая риска «4».

            Таким образом, предлагаемый  предохранительный клапан, в сопоставлении с аналогичным пружинным предохранительным клапаном, не имеющим возможности смены рабочей зоны клапанного уплотнения, находящейся в контакте с запорным органом, обеспечивает четырехкратное увеличение ресурса КУ клапанно-седельной пары, что с лихвой окупает затраты на  оснащение   клапанного устройства механизмом перестановки седла, клапанное уплотнение в котором имеет несколько рабочих зон.

           Из охарактеризованного конструктивного исполнения  данного устройства следует, что конструктивно вводимое увеличение массо-габаритных размеров седла, и, соответственно, клапанного уплотнения, приведет к увеличению числа свободных рабочих зон КУ также увеличивается при уменьшении наружного диаметра кольцевой сферической законцовки запорного органа 6.

            Как охарактеризовано выше, в приведенной выше конструкции использована зубчатая передача (рисунок 6) в виде поступательно перемещающейся зубчатой рейки 22, приводящей во вращение зубчатое колесо 19,  кинематически связанное с составным седлом 3,4, в котором жестко закреплено клапанное уплотнение 5.  Расчет такого рода зубчатых передач не представляет практической сложности и обстоятельно изложен в различных учебно-справочных изданиях.

           В ряде случаев, например, при передаче значительных динамических нагрузок на резьбовой элемент 26 от взаимодействия реечно-зубчатой передачи 19,22, постоянство положения элемента 26 относительно корпуса 1 обеспечивают не проволочной контровочной пломбой 31, а другими известными конструктивными приемами, например, как на рисунке 5.

           Согласно рисунку 5 фиксация элемента 26 относительно корпуса 1  произведена при помощи болта 43, ось вращения 42 которого закреплена в пазу корпуса 1, а резьбовая часть болта 43 заведена в паз 44 маховика 29 и закреплена при помощи шайбы 45, гайки 46 и контргайки 47.

          Считаю  целесообразным обратить внимание проектировщиков ГПТА на возможность приложения охаракеризованных результатов к другим предметам иссдования, в том числе в других областях науки и техники. В частности, вышеизложенные конструктивные решения клапанных ГПТА со сменной рабочей зоной КУ использованы автором для разработки мембранных клапанов с металлическими предохранительными мембранами в железнодорожных цистернах подвижного состава, оснащенных:

           - поворотным механизмом принудительной смены сработавшей мембраны на новую из блока запасных мембран, входящих в состав мембранного клапана  [7: рисунок  3.9];

           - поступательно перемещающимся механизмом замены сработавшей мембраны на новую   [7: рисунок 3.10];

           -  приводным механизмом замены сработавшей мембраны на новую путем санкционированного перепуска давления рабочей среды из защищаемого от избыточного давления рабочей среды резервуара на вход механизма  [7: рисунок 3.11].

      Указанные нововведения обеспечивают многократность использования мембранных клапанов со срезными мембранными в железнодорожных цистернах и исключают потребность в затратах времени на этапахъ маршрутного следования подвижного состава на демонтаж сработавшей мембраны и установку новой.

      В перспективе, по мере восстановления и развития научно-технической и материальной базы отечественной промышленности, накопления и расширения физических представлений о свойствах известных уплотнительных материалов и разработки новых, следует ожидать создание нового класса КУ ГПТА:

         - с автоматической перестановкой уплотнительной зоны уплотнителя за счет использования:  непроизводительной (теряемой) энергии рабочей среды, перетекающей через негерметичный стык;  уникального свойства биметаллов изменять размеры при термоциклировании; редко применяемых явлений различной физической природы (разогрев открытого конца трубок на основе эффекта Шпенгера и пр.;

         - с «саморемонтируемыми» («шлифуемыми») уплотнительными поверхностями за счет механического воздействия различных устройств или использования тепловых, магнитных, виброакустических и иных эффектов.

        Создание принципиально новых и высококачественных агрегатов с повышенным ресурсом  блока  запасных уплотнительных устройств резко снизит длительность их доводки, уменьшит количество экземпляров агрегатов, требующихся для отработки  пневмогидросистем на ресурс, сократит и упростит программу испытаний, а в ряде случаев  позволит избежать строительства специальных стендов и установок  для отработки клапанных устройств на повышенный ресурс. В целом, это приведет к снижению затрат  как на создание агрегата и двигательной установки,  в целом, так и на их эксплуатацию.

         Поэтому конструктивная проработка различных схем агрегатов в поисках наивыгоднейшего решения приводит, в конце концов, не к удорожанию и удлинению времени их создания, а, наоборот, к удешевлению и ускорению сроков получения надежных, отработанных конструкций.

                                                  Литература

     1. Мулюкин, О.П. Основы создания агрегатов пневмогидравлических систем летательных аппаратов и двигателей. Часть II. Обеспечение динамического качества процессов и устойчивости систем с агрегатами управления и регулирования: монография  [Текст]/А.Е.Жуковский, В.П.Шорин, О.П.Мулюкин и др. – Самара: НПО «Импульс», 1995. – 216с.

     2. Мулюкин, О.П. Парирование неисправности высоконагруженного уплотнения гидропневмотопливного агрегата в эксплуатации  [Текст]/Д.Е.Чегодаев, В.М.Квасов, О.П.Мулюкин ..Авиационная промышленность. – 1988. - №5. – С.28-30.

     3. Мулюкин, О.П. Гидропневмотопливные агрегаты и их надежность: монография [Текст]/Д.Е.Чегодаев, О.П.Мулюкин. – Куйбышев: Кн. изд-во, 1990. – 104с.

     4. Мулюкин, О.П. Гидропневмотопливные клапанные агрегаты с управляемым качеством динамических процессов: учебно-справочное пособие  [Текст]/Д.Е.Чегодаев, О.П.Мулюкин, А.Н.Кирилин и др. – Самара: СГАУ, 2000. – 546: ил.

     5. А.С. 1523821 СССР МКИ⁴  F16K 31/02 Электромагнитный клапан/О.П.Мулюкин, Е.В.Тушов, Д.Е.Чегодаев, А.Е.Амханицкий //БИ. – 1989. - №43.

     6. Tschegodajev D.E., Muljukin O.P., Schakirov V.M. Das Steuerungs- und Diagnosesystem der Pneumohydroausrustung der Objekte mit selbstreparierenden Verdichtungseinrichtungen//8. Fachtagung Hudraulik und Pneumatik. – Tagungsmaterialien. – Magdeburg? 1990. – S.463-469.

     7. Мулюкин, О.П. Типовые и нетрадиционные конструкции пневмогидравлических мембранно-предохранительных устройств: монография  [Текст]/О.Е.Лаврусь, А.С.Левченко, А.В.Ковтунов,О.П.Мулюкин. – Самара: СамГУПС, 2009. – 80с.

ОМ-РЕКЛАМА

САМАРА:  В конце декабря 2013 года вышло в свет  электронное пособие, освещающее актуальные проблемы   российской науки  и вопросы  формирования личности  и научной карьеры молодых российских ученых:

            Мулюкин О.П. Формирование личности учёного и стратегии научной карьеры: учебно-методическое пособие для аспирантов и соискателей ученой степени технических специальностей. - Ливны: Web-Kniga, 2013. – 370с.

            Классификационные данные:   УДК 002; 001.8

                                                                      ББК 72

                                                                      М901

                                                                      ISBN 978-5-904246-50-1                                                           
             Купить книгу можно здесь:
http://www.oplata.info/asp/pay_wm.asp?id_d=1651326&id_po=&wmid=&ai=24019&ae=
&curr=WMZ&failpage=http%3A%2F%2Fweb-kniga.com%2F&nocash=822486,

             Дополнительная информация:  Настоящим рекомендую авторам, желающим  создать электронное издание (монографию, пособие или иной вид электронной продукции),  воспользоваться услугами издательства Web-kniga  (http://www.Web-Kniga.com), которое характеризую с самой положительной стороны, как по качеству  электронной продукции, так и по стоимости  издания.