Том 13, № 5-3 (2014): Специальный выпуск

Применение технологий быстрого прототипирования предоставляют уникальную возможность применения экономически эффективных методов для производства деталей по выплавляемым моделям. Разработка и исследование технологий быстрого прототипирования позволили перейти на новый уровень оптимизации и внедрения новых технологий в различных отраслях промышленности. На этапе опытного производства, для которого характерно частое изменение конструкции, проблема быстрого изготовления литейных деталей становится ключевой. Это связано со сложностью и трудоёмкостью изготовления литейной оснастки. Разработки и исследования технологий быстрого прототипирования позволили перейти на новый уровень оптимизации и внедрения новых технологий в литье по выплавляемым моделям. Цель данной работы заключается в определении возможностей и оценки точности получаемых размеров отливки при литье по выплавляемым моделям с использованием технологии быстрого прототипирования. Работа велась с использованием сквозного проектирования в CAM/CAD/CAE системах. Исследование размерно–точностных параметров отливки велось на координатно-измерительной машине. В ходе работы была проверена адекватность виртуального моделирования процесса формообразования отливки в системе моделирования литейных процессов ProCAST по полученным отливкам. Исследование показало что применение технологий быстрого прототипирования при литье по выплавляемым моделям позволяет существенно сократить сроки изготовления отливок, снизить затраты на производство и повысить точность размеров отливки.

В статье представлены результаты экспериментального исследования параметров и теплового состояния экспериментальных образцов ракетных двигателей малой тяги (РДМТ) на газообразном кислородно-водородном топливе тягой 25 Н и 100 Н. В экспериментальных образцах РДМТ тягой 25 Н и 100 Н воспламенение компонентов топлива организовано в разрядной полости свечи зажигания. Схема смесеобразования двигателей характеризуется взаимодействием закрученных коаксиальных потоков горючего и окислителя, выполненных в виде двух каскадов. При этом реализуется высокотурбулентный поток, способствующий эффективному смешению горючего и окислителя в ограниченном объёме камеры сгорания. Охлаждение камеры двигателя тягой 25 Н организовано с помощью газовой завесы горючего от смесительной головки и применением высокотемпературного конструкционного материала - боро-силицированного графита, из которого выполнены камера сгорания и сопло. В РДМТ тягой 100Н дополнительно организована дозвуковая завеса горючего, расположенная в конце цилиндрического участка камеры сгорания, но при этом в качестве конструкционного материала использована нержавеющая сталь типа 12Х18Н10Т. В результате экспериментальных исследований прошли апробацию два конструктивных варианта организации процесса воспламенения, оценена эффективность схемы смесеобразования газообразных водорода и кислорода. При этом достигнуты следующие значения удельного импульса тяги двигателей: для РДМТ тягой 25Н с геометрической степенью расширения сопла Fа = 45 – 3846 м/с; для РДМТ тягой 100Н с Fа = 45 и Fа = 250 – соответственно 3855 м/с и 4100 м/с. С точки зрения обеспечения теплового состояния конструкции РДМТ на исследуемых компонентах топлива перспективным является применение новых конструкционных материалов типа керамик, материалов на основе графита с отработкой технологий их получения, а также сопряжения со смесительной головкой, выполненной, как правило, из нержавеющей стали. Использование камеры РДМТ тягой 25Н из боросилицированного графита позволило при испытаниях двигателя длительностью 100 с получить максимальную температуру наружной поверхности камеры на уровне 1045 °С.

Применительно к авиационной технике особое внимание уделяется проблемам динамической прочности агрегатов и узлов авиадвигателей, а именно сопротивлению материала под действием различных колебательных процессов (вибраций), возникающих при эксплуатации таких двигателей. Важным аспектом данной проблемы является обеспечение безопасности полётов в атмосферных условиях обледенения. Актуальность исследования определяется, прежде всего, недостаточной изученностью процессов обледенения. В статье представлены обобщённые результаты обработки экспериментальных данных, полученных при испытании газотурбинных двигателей (ГТД) в условиях обледенения на специализированном наземном стенде. Рассмотрены этапы процесса обледенения в отношении вибрационного состояния двигателя. В ходе экспериментов по обледенению были обнаружены в спектре вибраций диагностические признаки автоколебаний лопаток. Одной из вероятных причин таких опасных процессов может быть дросселирование вентилятора из-за нарастания льда на лопатках спрямляющего аппарата или на входных деталях вентилятора. Однако, для более детального описания данных явлений, возникающих в условиях обледенения, требуются дополнительные исследования, эксперименты, расчёты. Описаны особенности исследования вибрационных процессов в двигателе при таких испытаниях, обсуждены направления дальнейших исследований данной проблемы.

Рассматриваются особенности сопротивления кратковременному растяжению/сжатию, ползучести, длительной прочности и термической усталости монокристаллических жаропрочных сплавов на никелевой основе для различных кристаллографических ориентаций и температур. Предложены критерии разрушения с использованием единого представления мер эквивалентных напряжений (деформаций) для кубической сингонии, позволяющие адекватно рассчитывать прочность и долговечность монокристаллических материалов при сложном многоосном неоднородном напряжённом состоянии, характерном для лопаток газотурбинных двигателей в процессе эксплуатации. Верификация критериев осуществляется как на основе сравнения с результатами экспериментов, так и с прогнозами микромеханической модели.

Рассмотрены вопросы развития тематики роторно-поршневых двигателей и их применения в лёгкомоторной авиации, дистанционно пилотируемых летательных аппаратах (ДПЛА) и для привода генераторов, насосов, компрессоров и т.д. при наземном использовании за рубежом и в России. Приведена разработка проекта мощностного ряда двигателей в диапазоне 8…200 л.с. с использованием материальной части трёх типоразмеров

Рассмотрены методы шлифования сферических торцов конических роликов торцом и периферией круга. Показаны пути повышения точности сферического торца при обработке периферией шлифовального круга, заправленного по радиусу, и обеспечения качества поверхности, связанной с неравномерным износом круга. Установлено, что повышение эффективности шлифования сферических поверхностей ролика осуществляется путём снижения случайной и систематической составляющих погрешности обработки. Представлены результаты шлифования корригированным радиусом обработки и устройства для непрерывного шлифования сферических торцов роликов. Исследована структура поверхностей сферических торцов роликов с помощью оптико-электронного комплекса, способного уменьшить влияние кривизны исследуемой поверхности на её изображение. Рассмотрен алгоритм использования бинаризации исходного полутонового изображения для анализа структуры обработанной поверхности, обеспечивающий обработку и вывод результатов на экран монитора ПЭВМ. Приведены бинарные изображения структуры поверхностей сферических торцов роликов с различной шероховатостью. Выполнены исследования влияния средней амплитуды колебания автокорреляционной функции от шероховатости поверхности. Показаны связи шероховатости профиля поверхности с параметрами автокорреляционной функции. Определены оптимальные параметры структуры поверхности, амплитуды автокорреляционной функции и математическое ожидание, которые будут обеспечивать повышение эксплуатационных свойств контактных поверхностей.

В статье описана концепция разработки виртуальной лаборатории, которая включает в себя подсистему моделирования газотурбинного двигателя (ГТД), подсистему планирования эксперимента, подсистему внесения погрешностей измерений, подсистему идентификации и др. За основу разработки виртуальной лаборатории была принята CAE-система «АСТРА». Описаны особенности разработанной математической модели неустановившихся режимов работы газотурбинных двигателей. Основным отличием математической модели неустановившихся режимов работы ГТД от модели установившихся режимов является то, что не выполняется условие баланса мощности компрессора и турбины. На основе разработанных математических моделей разработана автоматизированная система для виртуальных испытаний газотурбинных двигателей. Разработанная система позволяет решать задачи расчёта эксплуатационных характеристик (дроссельных, скоростных, климатических и высотных), исследовать динамику переходных процессов, выбирать рациональные законы управления двигателем. Автоматизированная система для виртуальных испытаний является наглядной демонстрацией рабочего процесса и закономерностей совместной работы узлов двигателя. Описан интерфейс рабочего окна системы и приведены скриншоты основных элементов интерфейса. Разработанная система позволит сократить трудоёмкость по проведению испытаний двигателей, в процессе обучения существенно расширить количество потенциальных лабораторных работ и повысить качество подготовки специалистов.

Исследовалось влияние обкатки роликом при различных усилиях на предел выносливости при изгибе образцов из стали 20 диаметром 50 мм с надрезами различных радиусов и напрессованной втулкой. Оценка влияния поверхностного упрочнения на предел выносливости образцов производилась по двум критериям – остаточным напряжением на поверхности опасного сечения и среднеинтегральным остаточным напряжением по толщине опасного сечения, равной критической глубине нераспространяющейся трещины усталости. На основании проведённых экспериментов установлено, что при прогнозировании предела выносливости поверхностно упрочнённых цилиндрических образцов из стали 20 диаметром 50 мм с надрезами и напрессованной втулкой наиболее оправдано использование критерия среднеинтегральных остаточных напряжений с учётом степени концентрации напряжений. Для прогнозирования предела выносливости поверхностно упрочнённых образцов из стали 20 с надрезами и напрессованной втулкой использование в качестве критерия остаточных напряжений на поверхности концентратора не представляется возможным, так как соответствующий коэффициент, учитывающий влияние этого критерия на предел выносливости, имеет существенное рассеяние. Кроме того, в настоящем исследовании подтверждена зависимость критической глубины нераспространяющейся трещины усталости от размеров опасного поперечного сечении образца (детали).

Представлены результаты формирования структуры сортамента из титана технической чистоты в зависимости от крупнозернистого или наноструктурного состояния для обеспечения механических свойств получаемых различными способами деталей сборок. Изучена структура титана в зависимости от условий и характера насыщения водородом при механической обработке. Установлено влияние отдельных режимов нагрева и технологической деформации заготовок на формирование текстуры и на колебания механических свойств металла по его площади и толщине. Показаны результаты исследований связи изменений кристаллографической текстуры образцов из титана с характером формирования микроструктуры сплава в технологических процессах горячей пластической деформации на примере цилиндрических образцов из двухфазного титанового сплава ВТ9 при различных схемах приложения нагрузок и деформации в виде одноосного растяжения, кручения и кручения с одновременным растяжением.

Лопатки компрессора являются наиболее сложными и ответственными деталями газотурбинного двигателя, что обуславливается стоимостью их изготовления, а также требованиями по надёжности и ресурсу. Перспективным способом изготовления лопаток является импульсная электрохимическая обработка (ЭХО), основные преимущества которой заключаются в отсутствии силового и теплового воздействия на обрабатываемую поверхность, в долговечности инструмента, в низких значениях параметров шероховатости при работе на высоких плотностях тока, в высокой точности копирования формы и в стабильности процесса при работе на достаточно малых межэлектродных зазорах. Изложены принципы для реализации модели электрохимического формообразования применительно к импульсной ЭХО, которые позволят реализовать инженерную методику имитации обработки и профилирование электрода-инструмента в условиях производства. При решении задачи электрохимического формообразования, с учётом факторов влияющих на процесс, предложен алгоритм описания процесса импульсной ЭХО, который базируется на применении численного метода при дискретизации обработки во времени и в пространстве. Данный алгоритм позволит автоматизировать профилирование электродов-инструментов при импульсной электрохимической обработке.

Предложена методика оценки массогабаритных характеристик комплексной двигательной установки (КДУ) космического аппарата (КА) дистанционного зондирования Земли на основе расчётов потребной характеристической скорости КА для осуществления различного рода маневрирования. Разработан программный комплекс автоматизированной постановки и решения проектных задач по выбору проектных характеристик КДУ, который основан на использовании проблемно-ориентированного программирования и реализует концепцию «точного попадания». В рамках данной концепции оптимизация происходит в неявной форме, без записи целевых функций оптимизации и ограничений. Данная концепция реализуется на основе использования непроцедурного программирования. Описывается программный комплекс, разработанный на языке программирования Java. Рассматривается использование проблемно-ориентированной системы для выбора массогабаритных характеристик КДУ космического аппарата с заданной массой, обеспечивающей достижение заданной характеристической скорости. Программный комплекс позволяет импортировать рассчитанные значения в CAD/CAM/CAE-систему для построения геометрической модели спроектированного изделия. Если в CAD/CAM/CAE-системе заранее создана типовая модель изделия в параметризованном виде, то происходит её автоматическое изменение в соответствии с полученными результатами. Это позволяет осуществлять оперативное сравнение различных вариантов разрабатываемого изделия.

Переход на новые технологии проектирования и изготовления изделий связан с необходимостью формирования нового мышления специалиста. Особое место следует уделить вопросу обучения 3D моделированию. Описание процессов образовательной деятельности представлено в виде контекстных диаграмм IDEF0 – моделей подготовки специалистов на факультете двигателей летательных аппаратов СГАУ, их декомпозиций по видам подготовки. В задачи кафедры инженерной графики, помимо знаний по созданию 3D моделей и составлению чертежей, теперь входит обучение основам документооборота и способам параметризации моделей стандартных и типовых объектов и их использования. Одновременно решается ряд задач: постепенное ознакомление с возможностями и последовательное приобретение навыков работы в среде современной интегрированной CAD/CAM/CAPP системы; оптимальное решение задач предметной области начертательной геометрии, в частности, использование и развитие пространственного воображения, точное решение метрических и позиционных задач; достижение нового уровня геометро-графической подготовки за счёт освоения приёмов выполнения 3D моделей деталей с использованием параметрических моделей; автоматизированное построение чертежей на плоскости с соблюдением правил ГОСтов ЕСКД, что значительно сокращает долю рутинной работы при создании технической документации. Реализация такого подхода при подготовке специалистов позволяет использовать 3D модели конструкций для инженерного анализа их функционирования в условиях эксплуатации, а также осуществить моделирование процесса их изготовления в виртуальном пространстве.

Показана возможность использования диагностического слоя Dirt Alert для диагностирования двигателей ПС-90А, оснащённых фильтроэлементами QA-07930-01 фирмы PALL. Разделение Dirt Alert по высоте на несколько частей позволяет получить пробу смыва и производить диагностику ПС-90А без разборки и замены основного фильтроэлемента до выработки его ресурса. Разработаны устройство и ультразвуковая методика извлечения частиц износа с диагностического слоя. Установлено, что представительность пробы смыва обеспечивается при однократном прохождении диагностической ленты в лентопротяжном устройстве в течение 20 минут. Рассмотрена возможность использования для принятия диагностического решения по двигателям ПС-90А, оснащённых фильтроэлементом QA-07930-01, ранее разработанной по пробам смыва статистической модели исправного двигателя ПС-90А с фильтроэлементом без диагностического слоя. В данной модели в качестве диагностических параметров использованы рейтинги частиц износа. Показано, что параметры частиц износа в пробе смыва, выделенных с диагностического слоя фильтроэлемента QA-07930-01, не отличаются от параметров частиц в пробе смыва с фильтроэлемента QA-07930. Поэтому оценка технического состояния ПС-90А, оснащённых фильтроэлементом QA-07930-01, возможна с использованием статистической модели исправного двигателя ПС-90А, построенной по результатам сцинтилляционных измерений по пробам смыва с фильтроэлемента QA-07930. Сделан вывод, что перспективным направлением для получения экспрессных и достоверных результатов оценки технического состояния системы смазки ПС-90А является оснащение данного типа двигателей фильтроэлементом типа QA-07930-01.