Экспертное сообщество

Несмотря на хорошие эксплуатационные показатели пружинной клапанной арматуры свою нишу в клапанном агрегатостроении по-прежнему занимает беспружинная автоматическая и управляемая клапанная пневмогидроарматура, существенную долю которой составляют грузовые и рычажно-грузовые конструкции, широко применяемые в различных отраслях отечественной промышленности, и, прежде всего, в пневмогидросистемах управления и регулирования давления и расхода рабочих сред...

Непрерывность процесса увеличения объема и номенклатуры трубопроводной арматуры, включая клапанную, в общем балансе оборудования транспортных систем подтверждается всем ходом развития отечественного и зарубежного транспортного машиностроения. Многообразие условий работы клапанной пневмогидроарматуры и отсутствие у разработчиков единого подхода к их конструированию обусловило большое разнообразие конструкций. В 2000 году в мировом фонде насчитывалось около 190 тыс. патентов, относящихся к пневмогидроарматуре, и их число ежегодно увеличивается более чем на две тысячи. Причем значительная доля патентов (до 15 %) приходится на уплотнения клапанных агрегатов автоматики и управления. Это свидетельствует об определенном неблагополучии, неудовлетворенности практики существующими разработками клапанной арматуры [1, c. 8-17, 161-162].

Несмотря на хорошие эксплуатационные показатели пружинной клапанной арматуры свою нишу в клапанном арматуростроении по-прежнему занимает беспружинная автоматическая и управляемая клапанная пневмогидроарматура, существенную долю которой составляют грузовые и рычажно-грузовые конструкции, широко применяемые в различных отраслях отечественной промышленности, и, прежде всего, в пневмогидросистемах управления и регулирования давления и расхода рабочих сред:

- наземных (стационарных) газогидротопливных комплексах заправки мобильной транспортной техники и индивидуальных потребителей сырьевых энергоресурсов;

- в стационарных установках и оборудовании по производству высокомолекулярных соединений (пропилен, фенолформальдегидные смолы, поликарбонат и пр.) с переменными теплофизическими свойствами газожидкостных сред в химической, нефтяной и газовых отраслях промышленности;

- теплоснабжения бытового потребителя, тепловых, гидравлических и атомных электростанций в качестве защитных и предохранительно-регулирующих устройств резервуаров и сосудов с избыточным давлением рабочих сред, испытывающих существенные перепады внешних климатических и механических воздействий;

- сырьевого горнодобывающего и агропромышленного комплексов с регулируемыми параметрами рабочих сред, используемых в качестве инструментария в различных технологических процессах (гидравлическое дробление горных пород; компрессорное вентилирование газовзрывоопасных производственных участков; пневмогидроавтоматика механизмов предупреждения и устранения свoдообразований в бункерах хранения и выпуска сыпучих материалов и др.).

Как это ни неожиданно, но из оценки той же патентной службы вытекает, что за последние десять лет резко (почти на 70 %) сократилось патентование конструкций беспружинных клапанных агрегатов автоматики и управления, включая рычажно-грузовую арматуру, хотя, как известно, до технического совершенства их конструкций, приемлемых экономичности и динамического качества еще далеко.

В связи с этим следует отметить, что совершенствование известных и разработка новых типов беспружинных клапанных агрегатов автоматики и управления ввиду зачастую предвзятого (пренебрежительного) отношения к арматуре из-за кажущейся ее конструктивной простоты (и вытекающего отсюда мнения об отсутствии здесь зон приложения углубленных знаний) малопривлекательно для молодых и, тем более, для маститых ученых ведущих научных школ в области клапанного арматуростроения.

Параллельно с этим следует указать на весьма существенные недостатки беспружинной рычажно-грузовой автоматической и управляемой клапанной пневмогидроарматуры, а именно, на:

- невысокую герметизирующую способность и малоподъемность клапанно-седельных пар;

- значительные массогабаритные параметры конструкции и ограниченность области применения из-за входящих в их состав грузов с тарированной массой, не допускающих изменения их ориентации относительно плоскости Земли.

Однако, создание при участии автора [2, с. 10-13, с. 149-157; 3, с. 56-61] конструкции нового поколения беспружинной клапанной управляемой и автоматической пневмогидроарматуры, в том числе с переставляемой осью вращения двуплечего рычага клапанно-поршневой системы, коренным образом изменило мнение о технических возможностях беспружинных клапанных устройств и обеспечило возможность использования ряда из них в транспортной и другой технике, работа которых, в отличие от стационарных наземных объектов, сопровождается изменением их координации относительно плоскости Земли (робототехника, сварочные манипуляторы, все виды транспортных средств, включая аэрокосмический, и др.).

Определенные сложности в развитии и использовании современных методов обеспечения технологичности разрабатываемых типов беспружинных агрегатов автоматики и управления вносят продолжающиеся в России процессы импортозамещения технической продукции в условиях западного экономического давления, а также структурные и экономические преобразования, производимые в отечественной промышленности и требующие корректировки и разработки новых подходов к этапам создания пневмогидроарматуры. Необходимо также учитывать, что неуклонное повышение стоимости материалов и энергоресурсов выводит показатели технологичности в перворазрядные, создавая ситуацию, при которой экономически невыгодными становятся большие объемы экспериментальных и доводочных работ.

 В связи с этим резко повышается роль машинных (инструментальных) методов и средств проектирования пневмогидроарматуры. При этом резко возрастает практическая значимость публикаций, способствующих формированию и насыщению банка данных конструкторско-технологических приемов создания беспружинной клапанной автоматической и управляемой пневмогидроарматуры, органически привязанных к конкретным примерам оцениваемых типов агрегатов автоматики и управления, что обеспечит совершенствование известных и разработку новых видов клапанной арматуры за счет переосмысления накопленного багажа знаний и опыта предшественников.

Выполненный автором критический анализ многочисленных работ в области проектирования и доводки выходных параметров автоматической и управляемой клапанной арматуры позволил систематизировать комплекс основополагающих требований, обеспечивающих их функциональную надежность:

1. Точность функциональных параметров (степень герметичности клапанной пары; стабильность давлений открытия и закрытия; расход рабочей среды; быстродействие срабатывания) в заданном диапазоне амплитудно-частотного спектра внешних воздействующих факторов (ВВФ), включая нагрузки при хранении и транспортировке.

2. Высокие показатели безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости в течение заданного срока службы.

3. Минимальность значения гидравлического сопротивления проходного тракта.

4. Стойкость материалов элементов конструкции к длительному воздействию рабочих сред, включая агрессивные, а также к эрозионному воздействию при больших скоростях движения жидкости в дросселирующих сечениях клапанно-седельных пар и других элементов с переменной площадью проходного тракта.

5. Исключение возможности возникновения колебаний подвижных частей клапанного устройства при его открытии и закрытии в условиях комбинированного воздействия всех возможных внешних возмущений.

6. Минимальная масса, габариты и потребляемая мощность управляющей энергии при высокой экономичности работы.

7. Максимальная унификация и стандартизация конструкции клапанного устройства и его элементов, соответствие номенклатурному ряду арматуры для обеспечения возможности использования в различных по назначению агрегатов пневмогидросистемы (ПГС).

8. Высокие показатели технологичности и эргономического качества конструкции при минимальности стоимостных и массогабаритных параметров.

9. Высокая чувствительность (полное отсутствие или допустимо малое превышение давления рабочей среды в защищаемой системе над расчетным давлением открытия клапана).

10. Минимальная разность давлений открытия и закрытия клапанных предохранительных устройств.

Отметим, что к тактико-техническим характеристикам (ТТХ) предохранительной арматуры предъявляются повышенные требования, чем к другим видам клапанной арматуры, так как эта арматура является последним звеном защиты и предохранения емкостей и полостей агрегатов ПГС от недопустимого по условиям эксплуатации повышения избыточного давления рабочей среды, способного привести к нарушению прочности трубопроводных цепей, входящих в них клапанных устройств и последующему отказу объекта в целом.

В клапанном арматуростроении, как за рубежом, так и в России, четко отслеживается тенденция роста ТТХ клапанной арматуры, обусловленная возрастанием энерговооруженности ПГС ввиду увеличения давления и расхода рабочих сред в трубопроводных трактах и расширения границ температурного диапазона из-за применения высококалорийных криогенных топлив типа СПГ и жидкого водорода, а также использования «всепогодных» синтетических жидкостей и масел с повышенными агрессивными и токсическими свойствами.

Это, в свою очередь, приводит к повышению динамической нагруженности клапанных агрегатов, снижению герметизирующей способности и быстродействия срабатывания входящих в их состав клапанно-седельных пар, чувствительных и силовых органов с возрастанием вероятности возникновения нештатных ситуаций, приводящих к прочностным и усталостным повреждениям элементов и узлов.

В условиях лимитирования массы и минимизации запасов прочности элементов клапанной арматуры энергетических объектов, ужесточением требований к их экологической частоте резко усложняется выполнение требований к функциональной надежности клапанных агрегатов автоматики и управления, входящих в данные объекты.

В полной мере это относится к беспружинной рычажно-грузовой клапанной пневмогидроарматуре, для которой, в силу специфики исполнения кинематических звеньев рычажно-шарнирных устройств, на первый план выступают проблемы обеспечения величин быстродействия открытия и закрытия клапанно-седельных пар, их герметизирующей способности и заданного срока службы динамически нагруженных клапанных уплотнений, подвижных сочленений и силовых элементов рычажно-шарнирного механизмов.

В связи с этим резко возрастает актуальность и практическая значимость современных направлений повышения функциональной надежности и технического уровня клапанных агрегатов, базирующихся:

- на разработке и внедрении в производство САПР с комплексным использованием современных средств вычислительной техники в виде интеллектуальных систем на основе комплексной автоматизации: предельных проблемно сориентированных систем на основе персональных ЭВМ с созданием пакета прикладных программ (ППП), предназначенных для автоматизации проектирования технических систем с учетом постоянно пополняющегося базиса конструктивных решений собственно агрегатов и входящих в их состав элементов и кинематических цепей;

- использовании и разработке для клапанных агрегатов элементов и узлов, полученных при помощи критических технологий их изготовления (биметаллы, композиты и пр.) с высокой работоспособностью в широком температурном диапазоне рабочих сред при термоциклировании корпусной арматуры и др.;

- проведении исследований по снижению динамической нагруженности клапанных и других подвижных сопряжений, приводных и чувствительных органов и связывающих их кинематических цепей с разработкой научно-обоснованных рекомендаций клапанной арматуры при заданных показателях надежности и технического уровня.

Указанные направления предопределяют первоочередные задачи развития и совершенствования различных типов беспружинных агрегатов автоматики и управления, и, в первую очередь, по объему и номенклатуре составляющих звеньев подвижной системы «чувствительный элемент – силовой орган – запорный орган», которые, по мнению авторов, в настоящее время должны быть нацелены на решение насущных, конкретных проблем научно-прикладного, экологического и экономического характера [1-4]:

1. Создание широко доступного отечественным пользователям непрерывно пополняющегося банка классификаторов, известных конструкторских решений и идей разработки конструкций беспружинной клапанной арматуры российскими и зарубежными учеными с учетом современного состояния клапанного агрегатостроения и проходящих в нем структурных преобразований и технического перевооружения (открытия, патенты на изобретения и полезные модели, свидетельства на программные и другие интеллектуальные продукты; монографии и учебно-справочные пособия, включая их электронные версии, научные статьи и тезисы докладов на научно-технических семинарах, конференциях и симпозиумах различного уровня, в том числе международного; экспонирование образцов новой техники на отечественных и зарубежных выставках).

2. Разработка универсального и совершенствование действующих на предприятиях и в организациях клапанного агрегатостроения подходов к созданию новых более эффективных (по функциональной надежности, техническому уровню, экологической чистоте в эксплуатации, технологической и финансовой доступности и др.) беспружинных клапанных агрегатов как составляющих общего системного подхода к созданию высоконадежной техники.

3. Совершенствование и разработка математического аппарата аналитических исследований, экспериментального оборудования и аппаратуры, методов и методик экспериментально-теоретического сопровождения вновь создаваемых перспективных конструкций беспружинной клапанной арматуры с рычажно-шарнирными связями переменной структуры на базе:

- научно-обоснованных способов и приемов математического моделирования переходных процессов, как собственно в беспружинном клапанном агрегате, так и в этом агрегате в составе объекта (системе);

- систематизации, усовершенствования и разработки конструкторско-технологических и экспериментальных способов и средств обеспечения (доводки) эксплуатационной надежности рычажно-грузовых устройств клапанных агрегатов и их отдельных составляющих звеньев.

4. Совершенствование технического уровня находящихся в эксплуатации и создание нового поколения беспружинной клапанной пневмогидроарматуры с заданным динамическим качеством на базе использования известных и разработки новых систем и устройств диагностирования их технического состояния и парирования возникших в эксплуатации неисправностей и отказов.

Вышеизложенное предопределяет актуальность, научную новизну и практическую ценность представляемых результатов, обобщающих рекомендации по разработке высокоэффективной (по быстродействию, герметизирующей способности и сроку службы клапанно-седельных пар, чувствительных и силовых органов) беспружинной грузовой и рычажно-грузовой клапанной пневмогидроарматуры, в том числе путем целенаправленного регулирования параметров рычажно-шарнирного устройств клапанных механизмов, реагирующих на изменение теплофизических параметров рабочей среды.

Список использованной литературы

1. Элементы клапанных устройств авиационных устройств авиационных агрегатов и их надежность: учебное пособие / Д.Е. Чегодаев, О.П. Мулюкин. - М.: Изд-во МАИ, 1994. - 208с.: ил. [Рекомендовано Государственным Комитетом Российской Федерации по высшему образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Авиа- и ракетостроение» специальности «Авиационные двигатели»].

2. Конструкция и расчет исполнительных рычажных механизмов системы жизнеобеспечения железнодорожного транспорта: учебное пособие / Б.Г. Иванов, А.В. Ковтунов, О.П. Мулюкин [и др.]. - Самара: СамГАПС, 2007.-374 с. [Рекомендовано учебно-методическим объединением в качестве учебного пособия для студентов вузов железнодорожного транспорта]

3. Средства автоматизации и управления. Элементы управления: учебное пособие для высшего профессионального образования / М.И. Борзенков [и др.]; под ред. О.П. Мулюкина. – Орел: ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК», 2014. – 148с.: ил. [Допущено Учебно-методическим объединением вузов по образованию в области автоматизированного машиностроения (УМО АМ) в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки «Автоматизация технологических процессов и производств»].Мулюкин О.П.

4. Виды и влияние  «наследственных пороков» при изготовлении клапанно-седельных пар арматуры на ее эксплуатационную надежность / О.П.Мулюкин // Международный журнал «Трубопроводная арматура и оборудование». - № 5 (80). – Санкт-Петербург: ООО «Валверус-ТПА», 2015. – С.40-42.