Д.Г. Громаковский^*, Л.В. кУДЮРОВ^**,

М.В. МАКАРЬЯНЦ ^***, Ю.К. Мустафаев^**

стабилизация трения в условиях работы космических аппаратов

^* Россия, Самара, Самарский государственный технический университет,

443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, pnms3@mail.ru;

^** Россия, Самара, Самарский государственный университет путей сообщения, 443066, Самара, Первый Безымянный пер., 18, pnms3@mail.ru;

^*** Россия, Самара, ФГУП ГНП РКЦ «ЦСКБ - «Прогресс»,

443009, г. Самара, ул. Земеца, д.18, csdb@mail.samtel.ru

Приводы агрегатов космической техники имеют значительные особенности быстродействия, продолжительности функционирования, использования конкретного источника энергии, имеющегося на борту изделия и др., что и определяет характер их работы [1…5] и др. .

Одним из широко применяющихся устройств космической техники являются разнообразные клапанные системы, которые выполняют предохранительные, дренажные, дренажно-предохранительные и другие операции.

Клапаны (см. рис.1), как правило, содержат массивный корпус - 1, герметизирующий элемент с пружиной – 2 и систему управления клапаном - 3, представленную жестким штоком и пружиной.

Нестабильность газовых струй создает возмущающую силу P(t), которая выводит клапан из состояния равновесия. При этом приходят в движение не только собственно клапан и связанные с ним элементы, но и корпус, шток, связанная с ним пружина и другие детали.

Нередко, для изоляции рабочего процесса, его зону конструкции отделяют с помощью сильфонных устройств – 4.

Рис.1. Характерная компоновка клапанов: 1 – корпус; 2 – клапан;

3 – управляющий шток; 4 – сильфонное изолирующее устройство.

Кроме того, детали механической системы, трущиеся элементы, сильфоны и наполненное газом пространство между сильфонами и деталями клапанов и штока, обладают существенными демпфирующими свойствами, а в целом для механического устройства клапанов характерна весьма сложная динамическая структура, в которой ее элементы совершают нелинейные колебания по многим степеням свободы, в зависимости от аэродинамических параметров проходящих через клапан газов, а также внешних воздействий.

Для выявления резонансных явлений элементов внутренней структуры и влияния внешних возмущений на характерных частотах, исследовали динамику системы с учетом всех возможных отклонений ее элементов от положения равновесия, обусловленного вышеупомянутыми связями. Движение каждого из тел рассмотрено как сложное, состоящее из движения центра масс относительно некоторой неподвижной системы координат xOyz, и движения тела относительно центра масс.

При разработке математической модели введены три системы координат, связанные с каждым из тел, с началом в центре масс каждого тела: x₁O₁y₁z₁; x₂O₂y₂z₂; x₃O₃y₃z₃. В положении статического равновесия направление связанных осей координат совпадают с направлениями соответствующих осей неподвижной системы координат. При этом оси O₁z₁; O₂z₂; O₃z₃ всегда направлены вдоль осей симметрии соответствующих тел. Так как вращательное движение тел относительно оси симметрии Oz отсутствует, учитывали угловые перемещения только относительно осей O₁x₁ и O₁y₁ – корпуса ДПК, O₂x₂, O₂y₂ – клапана, O₃x₃, O₃y₃ – штока. В свете высказанных выше соображений в исследуемой механической системе в общем случае целесообразно рассмотреть 15 степеней свободы. Динамическая модель системы графически представлена в виде, изображенном на рисунке 2.

Рис.2. Динамическая модель ДПК

Для получения дифференциальных уравнений движения системы использовали уравнения Лагранжа 2 рода:

(1)

где: Т – кинетическая энергия системы; П – потенциальная энергия системы; q_i – обобщенная координата (i =1,2,…15); dA – возможная работа от неконсервативных сил.

Выражения для Т и П содержат и слагаемые, отражающие кинетическую и потенциальную энергию изгибных колебаний штока.

Уравнения (1) сводятся к системе из 15 дифференциальных уравнений второго порядка, которые, в силу своей громоздкости здесь не приводятся, но могут быть представлены в общем виде как

, (2)

где

Интегрирование нелинейных дифференциальных уравнений (2) выполняется численными методами, а решение – в виде графиков зависимостей координат и их производных от времени с учетом возмущений, обусловленных и давлением потока газа и вибрацией основания, на котором установлен клапан. Такой подход позволяет определить собственные частоты корпуса, клапана и штока в системе; вынуждающие факторы (газовой струи, оболочки бака, давления в упомянутых выше замкнутых объемах); выяснить причины резонансов при различном сочетании возмущающих факторов и дать рекомендации по устранению резонансных явлений.

При описании возмущающих сил в разрабатываемой модели отражена нестационарность их давления на тарель клапана, учтены параметры геометрии проточной части клапана и предложена форма аппроксимации, необходимая для численных расчетов.

Проведена экспериментальная оценка коэффициентов жесткости, демпфирования и других характеристик элементов системы: пружин, сильфона, характеристик их контактирования; коэффициентов (сил) трения в парах клапан-корпус, шток-корпус; жесткостей пружин и их масс; жесткостей сильфонов и их масс; коэффициентов демпфирования пружин и сильфонов; коэффициентов жесткостей и демпфирования основания оболочки в месте крепления прибора; коэффициентов контактных жесткостей и демпфирования контактов клапан-корпус и шток-клапан.

Мероприятия по динамической стабилизации клапанной системы комплексно объединены с использованием ряда триботехнических методов повышения надежности трибосистем [5] и др.

Среди конструктивных мероприятий рассмотрена задача оптимизации зазора в направляющем хвостовике клапана. Считается, что в условиях космоса при уменьшении зазоров менее 15 мкм (для диаметра сопряжения менее 10 мкм) улучшается центровка уплотняющих поверхностей клапана, но повышается опасность схватывания и задиров.

В связи с этим был разработан ряд технологий, снижающих поверхностную активность контактирующих деталей.

Так, с помощью технологии молекулярного армирования (патент РФ №2198954) обеспечивается пассивация поверхностей вследствие диффузионного внедрения активных органических молекул вглубь металла по выходам на поверхность дефектов кристаллической решетки. В результате обработки предложенным способом на поверхности образуется модифицированный (пассивный) слой, "прошитый" прочными цепочками химически связанных атомов, выполняющими роль "арматуры" в металлической решетке, что иллюстрирует рис. 3.

Рис.3. Схема пассивации поверхностных дефектов.

Обработанные детали клапана помещают в технологическую жидкость на базе масла И-20, нагревают до 80…90°С и возбуждают ее интенсивную вибрацию. При этом разрушенные молекулы масла вступают в реакцию с активными центрами поверхностей, диффундируют по линейным дефектам вглубь материала и одновременно производят два действия: во-первых, закрепляют дефекты, не давая атомам металла смещаться относительно друг друга под действием внешней нагрузки и генерировать новые дефекты, и, во-вторых, инактивируют поверхность, препятствуя взаимодействию активных выходящих ядер дислокаций с активными частицами окружающей среды.

В результате такой обработки, например, на стали 40Х, микротвердость - Hm возросла с 366 кгс/мм² до 795 кгс/ мм², а энергия активации пластической деформации - от 47 до 93 кДж/моль.

В целях стабилизации трения и уменьшения способности схватывания в волновых зубчатых передачах по патентам РФ №2017802, 2027745 и др. применена технология образования фторсодержащих антифрикционных пленок. Защитные пленки здесь образуются при приработке контактирующих поверхностей в жидкости, содержащей фторированный графит (CF_x)_n; радикалы фтора реагируют с металлическими поверхностями и образуют на них эластичный слой фторидов железа, см. рис.4, отличающийся от обычной окисленной поверхности своими свойствами.

а) х 10000 б) х 10000

Рис.4. Фотографии поверхностей трения:

а – исходная поверхность; б – на поверхности трения образована пленка фторидов железа FeF₃.

Поверхности трения при этом становятся более гладкими, выдерживают большее число циклов нагружения до наступления выкрашивания, хемосорбируют смазку и отталкивают воду - источник водорода, разъедающего поверхность.

Результаты испытаний по ГОСТ 23.221-84 приведены на рис.5.

Рис.5. Эффективность фторсодержащей присадки, введенной в масло

М-5/10Г2: 1-моторное масло без фторсодержащей присадки. Далее в масло введены: 2- присадка “LM” фирмы “Ликви Моли “, 3- присадка “WM” фирмы “Внус”, 4- присадка “SLA- 1” фирмы “Ачесон”, 5- присадка “SLA - 3” фирмы “Ачесон”, 6- присадки фторированного графита.

Для стабилизации трения рассмотрена также возможность применения новых алюминиевых сплавов с повышенными эксплуатационными характеристиками систем Al-Mg-Si: сплав 1577 (В1341Т(Т1); Al-Mg-Si-Cu (сплав 1370), Al-Li-Mg и (сплавы 1420, 1424, В1461Т1, В1469Т1) для замены традиционных сплавов типа АМг4, АМг6, АВ, Д16, а также применение режимов коагуляционного ступенчатого старения Т2 и Т3.

В качестве упрочняющего покрытия рассмотрено использование микродугового оксидирования (МДО) и твердого анодирования. В частности, отмечено, что по показателям износостойкости (микротвердость покрытия, его прочность и пластичность) МДО - покрытия приближаются к уровню твердых сплавов.

В целях снижения трения схватывания и задиров применена технология упрочняющего деформационного формоизменения (далее УДФ) по патенту РФ 2198954 и др.

Упрочняющее деформационное формоизменение реализуют при сочетании обката и копирования гравюры упрочняющего инструмента, что позволяет перейти от плоского (одномерного) наклепа материала приповерхностной зоны к конструктивной системе, имеющей объемную архитектуру несущих элементов - пространственную эпюру остаточных напряжений и расположения несущих граней, что в совокупности создает эффект формы. Обработанные детали показаны на рис.6.

Рис.6. Иллюстрация способа УДФ. 1 – упрочняющий инструмент;

2 – образованный рельеф гексагональной структуры.

Испытания формоизмененных поверхностей указали на следующие эффекты:

1. Повышение износостойкости и контактной выносливости;

2. Улучшение триботехнологических характеристик: увеличение площади фактического контакта, снижение эксплуатационной шероховатости и др.;

3. Повышение нагрузочной способности;

4. Повышение контактной жесткости;

5. Повышение демпфирующей способности и устойчивости при динамическом нагружении и др.

Способ может быть совмещен с химико-термической обработкой, нанесением металлических и твердосмазочных покрытий.

Выполненные разработки рассматриваются для использования в ряде ведущих Российских проектов создания космической техники.

Литература

1. Куликов Ю.Ф., Макушин А.П., Филин Н.В. Исследование работоспособности затворов криогенной арматуры.//Химическое и нефтяное машиностроение. 1973, №3, -С.31-37.

2. Чегодаев Д.Е., Мулюкин О.П. Элементы клапанных устройств авиационных агрегатов и их надежность. –М.: Изд-во МАИ, 1994. 206с.

3. Петрусевич А.П. Качество поверхности и прочности материалов при контактных напряжениях. –М.: Изд-во АНСССР, 1988г. 356с.

4. Громаковский Д.Г., Макарьянц М.В., Ткаченко С.И.//Трение и смазка в машинах и механизмах. №12, 2010г. –С.25-33.

5. Вибрации в технике. Справочник. Том II. Колебания нелинейных механических систем. Под ред. И.И. Блехмана. –М.: Машиностроение, 1979. 351с.