Изготовление вала двигателя АЛ-31Ф

Изготовление вала двигателя АЛ-31Ф

Содержание

Ведение

. Актуальность упрочнения отдельных деталей двигателя АЛ-31Ф

. Конструктивные особенности двигателя АЛ-31Ф

.1 Конструктивная компоновочная схема двигателя АЛ-31Ф

.2 Работа

. Повышение надежности и увеличение ресурса особо нагруженных деталей двигателя

.1 Расчет на прочность вала КНД

.1.1 Основные технические требования

.1.2 Общие положения

.1.3 Нагрузки на валы и расчетные схемы

.1.4 Расчет статической прочности, жесткости и устойчивости валов

.1.5 Определение критических частот вращения вала

. Способы повышения надежности и прочности особо нагруженных деталей двигателя

.1 Классификация методов упрочнения

.2 Упрочнение химико-термическими методами

.2.1 Сущность метода ионного азотирования

.2.2 Ионное азотирование деталей

.2.3 Оборудование

.3 Упрочнение металлических материалов методом поверхностного пластического деформирования (ППД)

.3.1 Общие положения

.3.2 Классификация и особенности применения методов ППД

.3.3 Дробеструйная обработка микрошариками

.3.3.1 Укрупненная структурная схема дробеструйной обработки

.3.3.2 Технологические системы упрочнения с использованием ЭВМ

.3.3.3 Схема процесса, характер формирования очага деформирования

.3.3.4 Выбор параметров обработки дробью

.3.3.5 Контроль режимов упрочнения

.4 Повышение эксплуатационных свойств деталей, обработанных ППД

.4.1 Сопротивление усталости

.4.2 Износостойкость

.4.3 Сопротивление схватыванию

.4.4 Коррозионная стойкость

.4.5 Сопротивление контактной усталости

.5 Комплексное упрочнение вала

. Определение основных экономических показателей

.1 Расчет ожидаемого экономического эффекта

.2 Расчет единовременных затрат на подготовку производства изделий

.2.1 Расчет единовременных затрат на подготовку производства изделий при первом варианте

.2.1.1 Расчет затрат на материальные расходы

.2.1.2 Расчет затрат на специальное оборудование

.2.1.3 Расчет затрат на основную плату разработчиков (участников НИР, ОКР)

.2.1.4 Расчет затрат на дополнительную плату

.2.1.5 Расчет единого социального налога

.2.1.6 Расчет затрат на амортизацию оборудования

.2.1.7 Расчет затрат на электроэнергию

.2.1.8 Расчет затрат на работы и услуги сторонних организаций

.2.1.9 Расчет затрат на командировки

.2.1.10 Расчет величины накладных расходов

.2.2 Расчет единовременных затрат на подготовку производства изделий при втором варианте

.2.2.1 Расчет затрат на материальные расходы

.2.2.2 Расчет затрат на специальное оборудование

.2.2.3 Расчет затрат на основную плату разработчиков (участников НИР, ОКР)

.2.2.4 Расчет затрат на дополнительную плату

.2.2.5 Расчет единого социального налога

.2.2.6 Расчет затрат на амортизацию оборудования

.2.2.7 Расчет затрат на электроэнергию

.2.2.8 Расчет затрат на командировки

.3 Калькуляция полной себестоимости изделия (продукции, работы)

.3.1 Расчет оптовой цены изделия

Выводы

. Проблемы акустики в современной авиации

.1 Акустика пассажирских самолетов

.2 Акустика современных самолетов 2000-х годов

.2.1 Шум на местности

.2.2 Основные пути снижения шумов самолетов на местности

.2.3 Снижение шума в канале с помощью ЗПК

.2.4 Структурная акустика

.2.5 Активные методы гашения шума в авиации

.3 Шум и борьба с ним

.4 Расчет освещенности

.5 Расчет системы шумоглушения

Выводы

Литература

Введение

Основой Политики предприятия в области качества является создание, производство и выпуск надежных, безопасных авиадвигателей для военной и гражданской авиации и промышленных газотурбинных установок, соответствующих требованиям и ожиданиям потребителей, при высокой эффективности и экономичности разработок и производства и, как следствие, обеспечение стабильности работы предприятия и его финансового положения.

На базе более совершенной организации управления предприятием, использования имеющегося научного и технического потенциала, новейших достижений в отечественном и зарубежном двигателестроении, совершенствования производственных процессов за счет разработки и внедрения новых прогрессивных технологий, многофункционального оборудования с программным управлением, новых материалов, внедрения автоматизированных систем управления и статистических методов регулирования технологических процессов, всесторонней подготовки кадров обеспечить предприятию лидирующее положение в области двигателестроения.

Инструментом реализации «Политики» является действующая на предприятии система менеджмента качества, разработанная на основе принципов и в соответствии с требованиями ГОСТ Р ИСО 9001-2001/МС ИСО 9001:2000. Руководство предприятия берет на себя обязательства обеспечить соответствие системы менеджмента качества предъявляемым требованиям и постоянно повышать ее результативность.

Качество для нашего предприятия - это основа стратегии развития и процветания.

Участие в процессе обеспечения и управлении качеством всех без исключения работников предприятия - от генерального директора до рабочего и взаимовыгодные партнерские отношения с Потребителями и Поставщиками, основанные на доверии, являются гарантией выполнения заявленных в «Политике» обязательств.

Руководство предприятия берет на себя ответственность за создание необходимых организационных и юридических условий, выделение технических и материальных ресурсов для реализации «Политики», намерено неукоснительно следовать изложенным в ней принципам, и призывает к этому весь коллектив предприятия.

Политика ОГК-1 в области качества строится на основе политики предприятия и направлена на удовлетворение требований и запросов потребителей, обеспечение по линии отдела стабильной работы предприятия по выпуску надежных и безопасных авиадвигателей для военной и гражданской авиации.

Это достигается за счет:

обеспечения качественной отработки конструкторской документации при приемке ее от разработчика и выдачи документации в производство с учетом требований автоматизированных систем управления производством,

постоянной работы над повышением надёжности и ресурса серийно выпускаемых двигателей,

качественной, с учётом новейших достижений в отечественном и зарубежном двигателестроении, разработке конструкторской документации,

соблюдения приоритетности вопросов обеспечения качества в работе каждого работника отдела.

Руководство отдела берёт на себя ответственность за создание необходимых организационных, технических и юридических условий для реализации «Политики ОГК-1 в области качества», намерено неукоснительно следовать изложенным в ней принципам и призывает к этому весь коллектив отдела.

1. Актуальность упрочнения отдельных деталей двигателя АЛ-31Ф

Газотурбинные двигатели (ГТД) начали применяться в авиации в конце Великой Отечественной войны. За сравнительно короткий срок поршневые двигатели были совершенно вытеснены из скоростной авиации и заменены газотурбинными, которые во многих отношениях оказались более совершенными. Установка ГТД в самолете позволила резко повысить скорость полета.

Проектирование начинается обычно с получения от потребителя технического задания на двигатель, где изложены необходимые требования к данным будущего двигателя. Задается величина тяги (или мощности) для нескольких высотных и земных точек, указывается тип двигателя, его масса (вес), габаритные размеры, ресурс, положение центра тяжести и др.

Рабочее проектирование ведется на основе эскизной компоновки и заключается в конструктивной и прочностной обработке всех узлов двигателя и его деталей.

После выполнения рабочих компоновок выполняются рабочие чертежи, одновременно ведутся подробные расчеты деталей на прочность и уточняются расчеты на колебания. При этом проверяются отдельные осевые и диаметральные зазоры и посадки, величина которых может меняться при работе из-за температурных деформаций и других причин.

Сборка первого опытного образца нередко показывает, что характеристики отдельных узлов двигателя не имеют достаточной согласованности, некоторые узлы и детали оказываются недостаточно прочными и при испытаниях ломаются. Устранение этих дефектов, установление причин поломок деталей, их упрочнение достигаются в процессе доводки двигателя.

Летные испытания двигателя начинаются непосредственно после обеспечения надежной работы двигателя в течение минимально необходимого числа часов (обычно 25 часов). Государственные - испытания и летные испытания являются заключительным этапом доводки двигателя, после чего он передается в серийное производство.

Принято считать, что надежность закладывается при проектировании двигателя, обеспечивается при его изготовлении и поддерживается в эксплуатации.

Статистика показывает, что примерно 60% отказов ГТД в эксплуатации вызывается разрушением и поломкой деталей из-за недостаточной их прочности. Из этого количества примерно 70% деталей разрушается вследствие их вибраций. При проектировании двигателей должно быть уделено большое внимание расчету деталей на прочность и на колебания.

При проектировании должны быть выбраны такие формы деталей, которые давали бы наибольшую долговечность; концентрации напряжений в них должны быть, возможно, меньшими; допускаемые напряжения и коэффициенты запаса прочности нужно выбирать учетом температуры нагрева и времени работы деталей. Материал для деталей и способ их изготовления нужно выбирать такими, чтобы остаточные напряжения, возникающие при обработке деталей, были возможно меньшими или совершенно отсутствовали.

2. Конструктивные особенности двигателя АЛ-31Ф

.1 Конструктивная компоновочная схема двигателя АЛ-31Ф

Двигатель двухконтурный, двухвальный, со смешением потоков внутреннего и наружного контуров за турбиной, с общим для двух контуров форсажной камерой и регулируемым сверхзвуковым всережимным реактивным соплом.

Двигатель имеет модульную конструкцию, обеспечивающую высокую технологичность сборки и позволяющую производить замену модулей при минимальном объеме регулировок. В число модулей входят:

компрессор низкого давления;

газогенератор (включает компрессор высокого давления, основную камеру сгорания, воздухо-воздушный теплообменник, турбину высокого давления, турбину низкого давления, смеситель);

фронтовое устройство форсажной камеры сгорания;

реактивное сопло с корпусом форсажной камеры сгорания;

коробка приводов двигательных агрегатов с агрегатами.

Компрессор двигателя - осевой, двухкаскадный, тринадцатиступенчатый. В состав компрессора входят:

четырехступенчатый компрессор низкого давления с регулируемым входным направляющим аппаратом;

девятиступенчатый компрессор высокого давления с тремя регулируемыми направляющими аппаратами - входным и первых двух ступеней;

промежуточный корпус.

Вал имеет два ряда внутренних шлиц: передний - для зацепления со шлицами задней цапфы ротора КНД; задний - для соединения роторов КНД и ТНД через рессору. Роторы КНД и ТНД соединены стяжной трубой. На валу закреплена гайкой ведущая шестерня привода редуктора датчиков РНД.

Основная камера сгорания - кольцевая.

В состав ОКС входят корпус с диффузором и жаровая труба.

Топливо поступает в ОКС через двадцать восемь двухкаскадных форсунки. Воспламенение топливовоздушной смеси при запуске двигателя осуществляется электрической системой зажигания.

Турбина двигателя - осевая, двухступенчатая. В состав узла турбины входят: одноступенчатая турбина высокого давления с охлаждаемыми воздухом диском, сопловыми и рабочими лопатками, а также деталями наружного и внутреннего корпусов; одноступенчатая турбина высокого давления с охлаждаемыми воздухом диском и сопловыми лопатками.

Форсажная камера сгорания - общая для двух контуров, со смешением потоков на входе во фронтовое устройство. В состав форсажной камеры входят корпус смесителя, смеситель и фронтовое устройство.

Регулируемое реактивное сопло с корпусом форсажной камеры - сверхзвуковое, всережимное, с внешними створками. В состав РС входят:

створки сужающейся части;

надстворки расширяющейся части;

внешние створки;

проставки;

упругие элементы; стяжное устройство с пневмоприводом.

РС смонтировано на корпусе ФК. Внешние створки обеспечивают плавное обтекание хвостовой части самолета, уменьшая ее сопротивление. Воспламенение топлива в форсажной камере обеспечивает «огневая дорожка».

Воздухо-воздушный теплообменник предназначен для снижения температуры охлаждающего турбину воздуха. В состав воздухо-воздушного теплообменника входят корпус, трубчатые теплообменные модули и аппарат отключения охлаждения.

Наружный контур состоит из двух корпусов - переднего (разъемного) и заднего.

Узел приводов вспомогательных устройств состоит:

из центральной конической передачи;

из коробки приводов двигательных агрегатов (зубчатые передачи которой приводятся во вращение ротором высокого давления через ЦКП);

из редуктора датчиков РНД (зубчатые передачи которого приводятся во вращение ротором высокого давления через привод редуктора датчиков РНД).

От КДА через гибкий вал осуществляется привод самолетных агрегатов, установленных на ВКА.

Масляная система - автономная, циркуляционная, с двумя топливомасляными теплообменниками. Система обеспечивает подвод масла к узлам трения, отвод его и охлаждение, суфлирование масляных полостей и наддув предмаслянных полостей.

Топливная система - гидромеханическая, с применением электронного комплексного регулятора двигателя.

Система противообледенения двигателя предназначена для обогрева поверхностей ВНА и кока компрессора горячим воздухом из КВД в условиях возможного обледенения.

Система управления охлаждением турбины обеспечивает подачу воздуха от КВД на детали турбины.

Система запуска обеспечивает:

запуск двигателя на земле и в полете;

воспламенение топлива при включении ФК;

прокрутку и ложный запуск двигателя.

Для запуска двигателя на земле служит газотурбинный двигатель, установленный на ВКА.

На двигателе установлены датчики и приемники систем контроля, предназначенные для информации о работе двигателя, представляемой визуально и в записи на носители информации бортовых и наземных регистрирующих систем.

Выносная коробка агрегатов с размещенными на ней газотурбинным двигателем, самолетным генератором и гидронасосами установлена в фюзеляже самолета и соединена с КДА гибким валом. ВКА служит для передачи вращательного движения:

на агрегаты самолета от КДА при работе двигателя;

на РВД и агрегаты самолета от ГТДЭ при запуске двигателя на земле.

Компрессор - осевой, двухкаскадный, с регулируемыми направляющими аппаратами.

В узел входят компрессор низкого давления (КНД), компрессор высокого давления (КВД) и промежуточный корпус.

Управление механизацией компрессора осуществляют система управления поворотными закрылками ВНА КНД и система ликвидации помпажа.

Компрессор низкого давления предназначен для сжатия воздуха, поступающего в наружный и внутренний контуры двигателя.

КНД состоит из ротора 2 и статора 3.

В состав статора входят: входной направляющий аппарат; кок; передняя опора; корпус первой, второй, третьей и четвертой ступеней; направляющие аппараты первой, второй, третьей и четвертой ступеней.

Входной направляющий аппарат - титановый, является силовым элементом двигателя.

В нем смонтированы: передняя опора КНД; откачивающий маслонасос; кок.

В состав ВНА входят: наружное кольцо; ступица; стойки.

Обечайка коллектора с наружным кольцом образует полость, в которую через отверстие в бобышке подается горячий воздух из-за седьмой ступени КВД (системы противообледенения двигателя) к стойкам и к коку.

Стойки образуют единый аэродинамический профиль с поворотными закрылками. Поворот закрылков осуществляется по команде системы управления ВНА КНД рычагами через приводное кольцо с десятью расположенными по окружности фиксаторами.

Через семь стоек проходят трубопроводы: суфлирования масляной полости; подвода масла; откачки масла; суфлирование предмасляной полости; слива масла.

Кок состоит из двух обечаек, образующих полость, в которую поступает горячий воздух из-за седьмой ступени КВД.

Передняя опора ротора силовой элемент двигателя, закреплена на заднем фланце ступицы ВНА. В ее состав входят: корпус роликоподшипников; роликоподшипник; узел масляного уплотнения; крышки лабиринтного уплотнения.

Корпус роликоподшипника состоит из наружного и внутреннего корпусов. Упруго-подвижная передняя часть корпуса связана с неподвижным фланцем ступицы пятьюдесятью упругими перемычками.

Упругость корпуса, наличие масляной пленки в полости расположения упругого кольца гасят колебания ротора.

Узел масляного уплотнения предотвращает утечки масла в проточную часть компрессора и воздуха - из проточной части в масляные полости.

Корпуса первой, второй, третьей, и четвертой ступеней выполнены в виде кольцевых оболочек. Полость Г над рабочими лопатками сообщается с проточной частью компрессора через прорези Б и образует щелевой перепуск, расширяющий диапазон режимов устойчивой работы компрессора. В корпусах имеются окна Е для осмотра и текущего ремонта лопаток компрессора. Пробка имеет прямоугольный фланец и резьбовое отверстие для ключа. Соединение корпусов - фланцевое. Передний фланец корпуса соединен с ВНА, задний фланец корпуса - с промежуточным корпусом.

Направляющие аппараты первой, второй и третьей ступеней состоят соответственно из лопаток с наружными и внутренними полками, а также внутренних полуколец, являющихся неподвижными элементами воздушных лабиринтных уплотнений; подвижными элементами служат гребешки на барабане ротора.

Ротор - барабанно-дисковой конструкции, опирается передней цапфой на роликовый подшипник, задней цапфой - на шариковый подшипник. Привод откачивающего маслонасоса осуществлен от ротора КНД.

В диск первой ступени установлены 37 рабочих лопаток, в диск второй ступени - 45, в диск третьей ступени - 57 и в диск четвертой ступени - 43. Болты выполняют функцию балансировочных грузов, для чего имеются отверстия А для подвода воздуха из проточной части компрессора во внутреннюю полость ротора для разгрузки от осевых сил.

Промежуточный корпус - основной элемент силовой схемы двигателя.

В промежуточном корпусе воздух, поступающий из КНД, делится на два потока: наружного и внутреннего контура.

В промежуточном корпусе установлены: выходной НА КНД; задняя опора ротора КНД; передняя опора ротора КВД; центральная коническая передача.

Промежуточный корпус - титановый, состоит из обода и опорного обода, соединенных стойками. К стойкам приварено разделительное кольцо.

Обод имеет фланцы: к переднему крепится выходной НА КНД и статор КНД, к заднему - передний корпус наружного контура. В пазах обода установлены стойки.

На наружной поверхности обода размещены: два узла крепления двигателя к самолету; кронштейны привода механизма поворота НА, бобышки крепления клапана переключения наддува (КПН) и трубопроводы наддува полостей подпора масляных уплотнений опор КНД и КВД, бобышка для крепления трубопроводов подвода и откачки масла, бобышка и две подвески крепления КДА, бобышка крепления редуктора датчиков РНД, бобышка крепления трубопровода суфлирования масляной полости.

Стойки промежуточного корпуса - полые. Через стойку проходит вертикальная рессора, соединяющая ЦКП с КДА, и осуществляется суфлирование масляной полости промежуточного корпуса. Полости стоек служат для суфлирования предмасляных полостей задней опоры КНД и передней опоры КВД.

Внутри стойки проходят: трубопровод подвода масла к подшипникам задней опоры ротора КНД, передней опоры ротора КВД и к подшипникам ЦКП, трубопровод откачки масла из полости промежуточного корпуса. Через стойку проходит рессора привода маслонасоса. Полости стоек служат для наддува уплотнений опор КВД и КНД. Через стойку проходит рессора привода редуктора датчиков РНД.

Разделительное кольцо имеет двенадцать вырезов под стойки корпуса.

Внутренним фланцем кольцо присоединено к статору КВД, наружным - к экрану наружного контура.

Выходной НА КНД состоит из наружного кольца, двух рядов лопаток и внутреннего кольца. Фланцами на наружном и внутреннем кольцах выходной НА крепится к промежуточному корпусу.

Задняя опора ротора КНД воспринимает суммарную осевую нагрузку от роторов КНД и ТНД, а так же радиальную нагрузку от ротора КНД. В ее состав входят: корпус подшипника, шариковый подшипник, радиально-контактное масляное уплотнение, крышки лабиринтного уплотнения и вал КНД. В задней опоре смонтирован привод редуктора датчиков РНД.

Суфлирование масляной полости осуществлено через трубопровод и втулку. Подвод воздуха в полости наддува масляных уплотнений производится через два трубопровода.

Вал имеет два ряда внутренних шлиц: передний - для зацепления со шлицами задней цапфы ротора КНД; задний - для соединения роторов КНД и ТНД через рессору. Роторы КНД и ТНД соединены стяжной трубой. На валу закреплена гайкой ведущая шестерня привода редуктора датчиков РНД.

Передняя опора ротора КВД воспринимает суммарную осевую и радиальную нагрузки от ротора КВД и РНД.

В переднюю опору входят: корпус подшипника; шариковый подшипник; радиально-контактное уплотнение.

Демпфирование шарикоподшипника обеспечено упругостью корпуса, деформацией изгиба упругого кольца и сопротивлением колебаниям ротора, которое возникает от выдавливания масляной пленки из полости, в которой размещено упругое кольцо.

Компрессор высокого давления сжимает воздух, поступающий во внутренний контур двигателя.

В состав КВД входят статор и ротор.

Статор КВД включает: корпус ВНА и первой ступени; корпус второй и третьей ступени; задний корпус; ВНА; девять НА.

Передним фланцем статор соединен с промежуточным корпусом, а задним - с корпусом ОКС. В корпусах статора имеются окна осмотра лопаток КВД.

Корпус ВНА и первой ступени выполнен с двумя фланцами и продольным разъемом. В корпусе смонтированы лопатки ВНА и НА первой ступени.

Корпус второй и третьей ступеней - с двумя фланцами и продольным разъемом. В корпусе смонтированы лопатки НА.

Задний корпус - с двумя фланцами и продольным разъемом. К корпусу приварена обечайка коллектора, образующая с ним кольцевую полость отбора воздуха из-за седьмой ступени.

Лопатки ВНА - поворотные, двухопорные. Поворотные лопатки НА первой и второй ступеней - консольные. Поворот лопаток ВНА, НА первой и второй ступеней по сигналу системы управления осуществляется гидроцилиндрами через приводные кольца и систему рычагов.

Направляющие аппараты с третьей по восьмую ступени - нерегулируемые. Через прорези в наружном кольце в наружном кольце НА седьмой ступени и отверстия в корпусе производится отбор воздуха для нужд самолета, системы противообледенения двигателя и системы наддува масляных уплотнений опор двигателя. Выходной НА КВД выполнен двухрядным, фланцем на наружном кольце крепится к корпусу ОКС.

Ротор включает в себя: диски с рабочими лопатками; вал; переднюю цапфу; лабиринт.

Барабан ротора состоит: из двух секций дисков; первая секция включает диски первой, второй и третьей ступеней; вторая секция - диски четвертой, пятой и шестой ступеней; из трех дисков седьмой, восьмой и девятой ступеней; первая ступень имеет 47 лопаток, вторая - 62, третья - 73, четвертая - 94, пятая - 99, шестая - 101, седьмая - 103, восьмая - 105 и девятая - 107 лопаток.

Вал соединяет роторы КВД и ТВД и передает крутильный момент от ротора ТВД.

Передней цапфой ротор КВД опирается на шарикоподшипник, смонтированный в промежуточном корпусе.

На цапфе установлены: лабиринт, предотвращающий утечку воздуха из полости наддува в предмасляную полость передней опоры ротора КВД; лабиринт, предотвращающий утечку воздуха из полости наддува передней опоры в проточную часть КВД.

Крышка уплотнения предотвращает утечку воздуха из предмасляной полости межвального уплотнения в полость наддува передней опоры КВД.

Лабиринт предназначен для предотвращения утечек воздуха на тракте компрессора в разгрузочную полость КВД.

Основная камера сгорания - кольцевая, состоит из наружного корпуса, внутреннего корпуса и жаровой трубы. Корпуса ОКС и теплообменника образуют со стенками жаровой трубы кольцевые каналы, по которым воздух из КВД поступает в жаровую трубу. Топливо в ОКС подается топливным коллектором через двадцать восемь форсунок. Воспламенение топлива в ОКС осуществляется системой зажигания. Топливный коллектор и запальные устройства размещены на корпусе ОКС.

Корпус- элемент силовой схемы двигателя. Передняя часть корпуса образует кольцевой диффузор, в котором снижается скорость воздуха, поступающего в ОКС из компрессора.

Корпус состоит из наружного и внутреннего корпусов, соединенных четырнадцатью полыми стойками. На семи стойках имеются кронштейны для крепления жаровой трубы и топливного коллектора к корпусу ОКС. На переднем фланце внутреннего корпуса укреплены крышки лабиринтного уплотнения разгрузочной полости. Задний фланец внутреннего корпуса крепится к корпусу соплового аппарата ТВД. Передний фланец наружного корпуса крепится к фланцу корпуса КВД, а задний фланец - к переднему фланцу корпуса теплообменника.

Жаровая труба предназначена для сжигания топливовоздушной смеси и формирования поля температур газа на входе в турбину.

Жаровая труба состоит их набора профилированных секций, соединенных между собой сваркой, или профилированных точеных секций.

Фронтовая часть жаровой трубы состоит из кольцевой обечайки с двадцатью восемью цилиндрическими камерами смешения и лопаточных завихрителей, подвижно установленных на входе в камеры смешения.

Для создания горючей топливовоздушной смеси во фронтовой части жаровой трубы имеется ряд отверстий подвода воздуха - воздухозаборников. Камера смешения служит для подготовки топливовоздушной смеси, поступающей в жаровую трубу. Формирование поля температур на выходе из камеры сгорания осуществляется воздухом, поступающим через четыре ряда отверстий, расположенных на смесительной части жаровой трубы. Для охлаждения стенок жаровой трубы на ее внутренней и наружной оболочках имеются кольцевые щели, в которые через отверстия поступает воздух, образующий заградительную пелену вдоль стенок. На внутреннюю поверхность жаровой трубы нанесено жаростойкое покрытие.

Для компенсации перемещений от тепловых воздействий жаровая труба и топливный коллектор крепится к кронштейнам стоек радиальными штифтами. Компенсация взаимных перемещений жаровой трубы и СА ТВД осуществляется с помощью телескопического соединения по фланцам.

Узел турбины включает последовательно расположенные одноступенчатые осевые турбины высокого и низкого давления, а также опору.

Турбина высокого давления приводит во вращение компрессор высокого давления и агрегаты, установленные на коробке приводов двигательных агрегатов и на выносной коробке агрегатов.

Турбина низкого давления приводит во вращение компрессор низкого давления.

Каждая из турбин включает ротор и сопловой аппарат.

Опора узла турбины - элемент силовой схемы двигателя.

Радиальные усилия от ротора ТВД передаются на опору через межроторный подшипник, вал ТНД и расположенный в опоре подшипник ротора ТВД. В узел входят корпус опоры и корпус подшипника.

Сопловой аппарат ТВД кольцом соединен с фланцами обода СА ТНД, корпуса теплообменника и телескопическим соединением через кольцо - с жаровой трубой ОКС. наружное кольцо СА ТВД имеет отверстия для подвода вторичного воздуха из ОКС и ВВТ на охлаждение соплового аппарата и рабочих лопаток ТВД. Внутреннее кольцо СА ТВД соединено фланцем с аппаратом закрутки 3 и с внутренним корпусом ОКС.

Внутреннее кольцо через кольцо телескопически соединено с жаровой трубой ОКС, кольца и образуют канал подвода вторичного воздуха из ОКС на охлаждение внутренних полок сопловых лопаток. Сопловой аппарат имеет сорок две лопатки, объединенные в четырнадцать литых трехлопаточных блоков, чем достигается уменьшение перетечек газа.

Сопловая лопатка - пустотелая, охлаждаемая. Перо, наружная и внутренняя полки образуют с пером и полками соседних лопаток проточную часть. Внутренняя полость сопловой лопатки разделена перегородкой. На входной кромке лопатки имеется перфорация, обеспечивающая пленочное охлаждение наружной поверхности пера. В передней полости размещен дефлектор, а в задней - дефлектор. Дефлекторы имеют отверстия для охлаждения воздуха.

Ротор ТВД состоит из: диска с 90 лопатками рабочего колеса; цапфы с лабиринтами и маслоуплотнительными кольцами.

В диске выполнены отверстия для подвода охлаждающего воздуха к рабочим лопаткам.

Рабочая лопатка ТВД - полая, охлаждаемая. Во внутренней полости ее для организации процесса охлаждения имеются продольный канал с отверстиями в перегородке и ребра. Хвостовик лопатки «елочного типа». В хвостовике цапфы 36 размещены масляное уплотнение и обойма роликового подшипника, являющегося задней опорой ротора высокого давления.

Сопловой аппарат ТНД соединен с корпусом теплообменника и наружным кольцом 6 турбины высокого давления, а также с корпусом опоры турбины.

Сопловой аппарат ТНД имеет тридцать три лопатки, спаянные в одиннадцать трехлопаточных блоков для уменьшения перетечек газа.

Сопловая лопатка - литая, пустотелая, охлаждаемая. Перо, наружная и внутренняя полки образуют с пером и полками соседней лопатки проточную часть соплового аппарата ТНД. Во внутренней полости пера лопатки размещен перфорированный дефлектор. На внутренней поверхности пера имеются поперечные ребра и турбулизирующие штырьки для организации направленного течения охлаждающего воздуха. Диафрагма служит для разделения полостей между рабочими колесами ТВД и ТНД.

Ротор ТНД включает: диск с 90 рабочими лопатками; цапфу; вал; напорный диск.

Диск имеет пазы для крепления рабочих лопаток и наклонные отверстия для подвода охлаждающего воздуха к ним.

Рабочая лопатка ТНД - литая, полая, охлаждаемая. На периферийной части имеет бандажную полку с гребешком лабиринтного уплотнения, обеспечивающим уменьшение радиального зазора между ротором и сопловым аппаратом ТНД.

Цапфа имеет на передней части внутренние шлицы, передающие крутящий момент на вал. На наружной поверхности передней части цапфы установлена внутренняя обойма роликового подшипника (на который опирается ротор высокого давления), лабиринт и набор уплотнительных колец, образующих переднее уплотнение масляной полости задней опоры ТВД.

На цилиндрическом поясе в передней части цапфы имеется набор уплотнительных колец, образующих уплотнение масляной полости между роторами турбин высокого и низкого давлений. На цилиндрическом поясе в задней части цапфы установлен набор уплотнительных колец, образующих уплотнение масляной полости опоры ТНД.

Вал состоит из трех частей, соединенных штифтами. В задней части вала имеется привод откачивающего маслонасоса опоры турбины. В передней части вала имеются шлицы, передающие крутящий момент на ротор КНД через рессору.

Напорный диск обеспечивает увеличение давления охлаждающего воздуха на входе в рабочие лопатки ТНД.

В состав опоры турбины входят корпус опоры и корпус подшипника. Корпус состоит из наружного корпуса и внутренних колец, соединенных силовыми стойками и образующих силовую схему опоры турбины. В состав опоры входят также экран.

Внутри силовых стоек размещены трубопроводы: подвода и откачки масла; суфлирования масляных полостей; слива масла.

Через полости силовых стоек подводится воздух на охлаждение ТНД и отводится воздух из предмасляной полости. Силовые стойки 18 закрыты снаружи обтекателями. Экран с обтекателями образует проточную часть газовоздушного тракта за ТНД.

Корпус подшипника и крышки и образуют масляную полость опоры турбины. Масляная полость термоизолирована. На корпусе подшипника установлены маслооткачивающий насос и масляный коллектор. Между наружной обоймой роликоподшипника ротора ТНД и корпусом подшипника размещен упругомасляный демпфер.

В состав форсажной камеры сгорания входят: смеситель; фронтовое устройство; корпус с теплозащитным экраном; кок-стекатель.

Смеситель - элемент силовой схемы двигателя, осуществляет связь корпусов внутреннего и наружного контуров двигателя. Смеситель состоит из корпуса и смесителя.

Корпус передним фланцем прикреплен к корпусу наружного контура. К заднему фланцу прикреплено фронтовое устройство.

На шпангоуте установлены: восемь термопар; центробежная форсунка системы «огневой дорожки» ФК; трубопровод слива топлива из сливного бачка двигателя в проточную часть ФК; приемник полного давления Р04.

Смеситель перемешивает потоки газа внутреннего контура и воздуха наружного контура перед фронтовым устройством.

Смеситель передним фланцем прикреплен к корпусу опоры турбины, а кольцом подвижно опирается на корпус. Подвижность смесителя обеспечивает осевую компенсацию внутреннего контура относительно наружного.

Смеситель имеет двадцать два кармана

Фронтовое устройство предназначено для организации устойчивого горения топлива в форсажной камере.

Фронтовое устройство состоит из: корпуса с двухсекционным теплозащитным экраном; системы стабилизации пламени; топливных коллекторов.

Корпус - кольцевая обечайка с фланцами.

В корпус вварены: силовой пояс с узлами крепления двигателя к самолету; два фланца для установки ионизационных датчиков пламени; пять втулок для выводов топливных коллекторов; одиннадцать фланцев для крепления тягами стабилизаторов форсажной камеры с топливными коллекторами; меры с топливными коллекторами; патрубок для подсоединения аварийного слива топлива; фланец для установки приемника полного давления Р04.

Теплозащитный экран - двухсекционный. Экран с обечайкой корпуса образуют кольцевой канал подвода воздуха из наружного контура на охлаждение форсажной камеры и реактивного сопла. Первая секция имеет на входе двадцать два гофра, а на выходе - сорок четыре.

Вторая секция экрана имеет сорок четыре гофра и одновременно является антивибрационным элементом.

Система стабилизации пламени состоит из кольцевой форсажной камеры, двух V-образных стабилизаторов - большого и малого, а также двадцати двух стоек и соответственно большого и малого стабилизаторов. Форсажная камера - V-образный кольцевой стабилизатор, внутри которого расположен карбюратор, образованный одиннадцатью трубами, перфорированными отверстиями, с заборниками на входе. В каждую трубку поступает топливо от пускового коллектора и газ из тракта. Топливо и газ проходит через карбюратор, и поступают во внутреннюю полость форсажной камеры.

Большой и малый стабилизаторы закреплены на форсажной камере каждый одиннадцатью стойками, которые одновременно выполняют функции радиальных стабилизаторов.

Форсажная камера закреплена в корпусе одиннадцатью тягами.

На внутренней полке профиля малого стабилизатора имеется одиннадцать V-образных радиальных стабилизаторов.

Топливные коллекторы расположены перед форсажной камерой и закреплены на ней серьгами, которые обеспечивают свободу перемещения коллекторов при нагреве.

Коллектор, постоянно работающий во всем диапазоне форсированных режимов двигателя, является пусковым. Он имеет одиннадцать струйных форсунок, питающих топливом карбюратор, и тридцать три отверстия в кольце, направленных на отражатели, питающих форсажную камеру.

Каждый из коллекторов имеет по двадцать две форсунки. У коллекторов форсунки установлены на наружном диаметре колец, либо на внутреннем.

Коллекторы имеют по экранов для защиты внутренних полостей кольцевых труб от нагарообразования.

Корпус ФК состоит из корпуса и теплозащитного экрана. На конической части корпуса расположен шпангоут для крепления элементов реактивного сопла. В нижней части установлен дренажный клапан для слива топлива. Теплозащитный экран состоит из четырех секций, каждая из которых имеет по гофра и перфорирована отверстиями.

Кок-стекатель уменьшает потери энергии при выходе газа из турбины. Перфорация на коке-стекателе служит для уменьшения пульсационного горения в форсажной камере.

Работа

Поток газа и воздуха из смесителя поступает в полость фронтового устройства. Часть воздуха попадает в полость, образованную экранами и стенками корпусов фронтового устройства и корпуса ФК, и охлаждает корпуса и реактивное сопло.

В системе стабилизации пламени фронтового устройства создается обширная зона обратных токов, что обеспечивает полноту сгорания топлива, надежный запуск и устойчивость работы ФК в широком диапазоне режимов.

Включение ФК осуществляется системой запуска при перемещении РУД в диапазон форсированных режимов.

Пламя «огневой дорожки», достигнув зоны обратных токов форсажной камеры, воспламеняет воздушную смесь, подготовленную форсажной камерой и пусковым коллектором. При этом расход топлива через пусковой коллектор составляет приблизительно 10% от суммарного расхода всех коллекторов. После воспламенения топлива в ФК по сигналу ионизационных датчиков пламени снимается блокировка в РСФ, соответствующая его работе на минимальном форсированном режиме.

Топливо через форсунки топливных коллекторов 3, 4, 5, 6 первого и второго каскадов (или только первого) подается в проточную часть фронтового устройства и вместе с потоком газа поступает в зону горения ФК. Количество подаваемого топлива определяется регулятором сопла и форсажа в зависимости от степени форсирования двигателя.

Регулируемое реактивное сопло (РС) - сверхзвуковое, всережимное, с внешними створками.

В состав РС входят: дозвуковое сужающееся сопло с приводом и синхронизирующими механизмами регулирования площади критического сечения; сверхзвуковая часть РС с механизмами привода, синхронизации и регулирования площади среза, осуществляемой через внешние створки и дозвуковое сопло; внешние створки с упругими элементами, являющиеся подвижной частью фюзеляжа самолета.

Шестнадцать створок с уплотняющими их шестнадцатью проставками образуют сужающееся дозвуковое сопло.

Каждая створка двумя проушинами подвижно закреплена в корпусе шарнира на заднем фланце корпуса форсажной камеры. Корпус шарнира неподвижно закреплен на заднем фланце корпуса ФК.

Каждая проставка подвижно закреплена ограничителем на двух соседних створках, а передняя часть проставок свободно опирается штифтами на те же соседние створки.

Штифты неподвижно закреплены на проставках.

Шестнадцать гидроцилиндров с шестнадцатью рычагами и с тридцатью двумя тягами образуют синхронизирующий привод створок.

Рабочим телом гидроцилиндров является топливо двигателя.

Гидроцилиндры и рычаги подвижно закреплены на траверсах. Траверса неподвижно закреплена на заднем фланце корпуса ФК и подвижно - на шпангоуте корпуса ФК.

Штоки гидроцилиндров подвижно закреплены на рычагах, а каждый рычаг тягами подвижно связан с двумя соседними створками, что обеспечивает синхронное перемещение створок.

Сверхзвуковая часть РС с внешними створками и упругими элементами.

Шестнадцать надстворок с уплотняющими проставками образуют расширяющуюся, сверхзвуковую часть РС.

Каждая надстворка подвижно соединена со створкой, а проставки надстворок подвижно соединены с проставками створок. Каждая проставка подвижно закреплена на двух соседних надстворках тремя ограничителями, которые подвижно закреплены на проставках. Ограничитель, расположенный у заднего торца проставки, обеспечивает минимальное перекрытие боковых кромок надстворок проставками при максимальной площади среза РС.

Шестнадцать внешних надстворок с уплотняющими их шестнадцатью проставками является продолжением подвижной части фюзеляжа самолета.

Внешние створки передней частью подвижно закреплены на траверсах, а задний - кронштейнами с двумя роликами введены в направляющие пазы надстворок.

Каждая проставка передней частью подвижно закреплена на двух соседних внешних створках, а задней - свободно опирается на те же соседние внешние створки.

Ограничители, неподвижно закрепленные на внешних створках с внутренней стороны на кронштейне, не допускают перемещение проставок в окружном направлении.

Средней частью проставка входит в пазы соседних нижних створок. Пазы образованы неподвижно закрепленными ограничителями и днищем.

Шестнадцать кронштейнов с тридцатью двумя тягами образуют синхронизирующий механизм сверхзвуковой части РС и внешних створок.

Кронштейны подвижно закреплены на рычагах привода дозвукового сопла. Каждый кронштейн тягами подвижно связан с двумя соседними створками, чем обеспечивается синхронное перемещение сверхзвуковой расширяющейся части через внешние створки.

Шестнадцать пневмоцилиндров образуют механизм регулировки площади среза РС.

Пневмоцилиндры попарно, крышка с крышкой, шток со штоком, подвижно закреплены в окружном направлении с внутренней стороны в средней части на кронштейнах каждой внешней створки и образуют «браслет».

Шестнадцать регулируемых ограничителей телескопического типа ограничивают предельную площадь среза РС. Ограничители подвижно закреплены с внутренней стороны на кронштейнах в конце внешней створки в окружном направлении и образуют «браслет».

Шестнадцать регулируемых упоров телескопического типа образуют механизм регулирования минимальной и максимальной площадей среза РС.

Каждый упор подвижно закреплен гильзой на траверсе и штоком - на кронштейне.

Тридцать два упругих элемента обеспечивают плавный переход от внешних створок с проставками РС к фюзеляжу самолета. Упругие элементы закреплены на кольце, которое шестнадцатью тягами подвижно закреплено на траверсах.

Каждый упругий элемент крепится двумя винтами.

Работа сопла заключается в изменении площадей критического сечения и среза в зависимости от режима работы двигателя.

Площадь критического сечения сопла определяется положением створок.

Площадь среза определяется положением надстворок и при постоянной площади критического сечения сопла изменяется в пределах изменения длины телескопических упоров.

Оптимизация площади среза сопла в пределах хода телескопических упоров при постоянной площади критического сечения обеспечивается автоматически под воздействием газовых и аэродинамических сил, действующих на надстворки и внешние створки, а также под воздействием сжимающих сил пневмоцилиндров.

Пневмоцилиндры - одностороннего действия, постоянно работающие на сжатие сверхзвуковой части РС от воздуха с давлением Р2. При максимальной длине телескопического упора площадь среза сопла минимальна.

Наружный контур - внешняя оболочка двигателя, образует совместно с корпусами КВД, ОКС, ВВТ и турбины канал для перепуска части воздуха, сжатого в КНД, к смесителю ФК.

Наружный контур состоит из двух профилированных корпусов - переднего и заднего. Корпуса входят в силовую схему двигателя.

Передний корпус имеет продольный разъем для обеспечения доступа к КВД, ОКС и два поперечных силовых шпангоута.

На корпусах наружного контура имеются фланцы систем отбора воздуха, крепления запальных устройств, окон осмотра двигателя, а также бобышки для крепления агрегатов и коммуникаций.

Фланцы систем отбора воздуха на переднем корпусе соединены с фланцами на корпусе КВД двухшарнирными элементами, обеспечивающими возможность взаимного перемещения корпусов.

Работа

Поток воздуха, протекающий через канал наружного контура, поступает в смеситель ФК.

Часть воздуха наружного контура используется для охлаждения деталей ФК и РС. В канале наружного контура охлаждаются трубчатые модули ВВТ.

Система приводов вспомогательных устройств предназначена для передачи вращательного движения от ротора двигателя к агрегатам и ВКА, а также для размещения агрегатов и датчиков.

Система состоит из центральной конической передачи, КДА, редуктора датчиков.

Основная силовая передача идет от: вала ведущей шестерни ЦКП через конические шестерни, вертикальную рессору и КДА и далее через гибкий вал на ВКА; а при запуске - от ВКА на ЦКП и вал РВД двигателя; вала ведущей шестерни ЦКП через ряд шестерен в ЦКП на откачивающие насосы; вала КНД через ряд шестерен, малую рессору к редуктору датчиков.

Центральная коническая передача размещена на заднем фланце опорного обода промежуточного корпуса компрессора.

КДА передает вращательное движение от ЦКП на агрегаты, обслуживающие системы двигателя, и служит для крепления агрегатов.

На КДА установлены следующие агрегаты: центробежный суфлер; топливный насос высокого давления; топливоподкачивающий центробежный насос; маслоагрегат; насос-регулятор; форсажный насос.

Коробка приводов двигательных агрегатов установлена на промежуточном корпусе компрессора. На коробке приводов установлены два кронштейна крепления коробки к промежуточному корпусу.

Подвеска КДА на пальцах позволяет ей при изменениях температуры перемещаться в горизонтальном направлении. Перемещение КДА в вертикальном направлении осуществляется по цилиндрическому пояску опоры на крышке КДА, телескопически вставленной в опору промежуточного корпуса компрессора.

КДА представляет коробку передач, состоящую из цилиндрических и одной пары конических шестерен, размещенных в корпусе. Между корпусом и крышкой установлена паронитовая прокладка.

В нижней части коробки имеются отверстия для откачки масла. Выходной вал к ВКА имеет свободу осевого перемещения относительно шестерни. Этим компенсируется отклонение линейных размеров гибкого вала и расстояния между ВКА и КДА, а также линейные температурные расширения.

Редуктор датчиков предназначен для размещения индукционного и трех частотных датчиков частоты вращения. Редуктор имеет гнездо для ручной прокрутки РНД. Система смазки редуктора - автономная.

Редуктор крепится шпильками к бобышке на промежуточном корпусе компрессора.

Редуктор состоит из двух пар цилиндрических шестерен, размещенных в корпусе.

На валике-шестерне имеется индуктор - диск с торцовыми выступами. Против выступов индуктора размещены три датчика частоты вращения. На валике-шестерне установлен индукционный датчик частоты вращения.

Масляная система предназначена для охлаждения и смазки подшипников из зубчатых передач двигателя.

Масляная система состоит из следующих систем: нагнетания; откачки;

суфлирования масляных полостей; наддува опор двигателя.

Система нагнетания предназначена для подачи масла под давлением к узлам и деталям двигателя.

Система нагнетания включает: нагнетающий насос маслоагрегата; перепускной клапан маслоагрегата; маслофильтр; топливомасляные теплообменники; обратный клапан; клапан переключения; трубопроводы; форсунки.

Нагнетающий насос маслоагрегата предназначен для подачи масла под давлением в систему нагнетания. Нагнетающий насос - центробежно-шестеренного типа, объединен в одном маслоагрегате с перепускным клапаном и насосом, откачивающим масло из КДА.

Для предотвращения утечки масла из полости нагнетающего насоса в полость откачивающего насоса при работе двигателя и перетекания масла на стоянке из маслобака в двигатель на валах установлены уплотнительные манжеты. Давление масла на выходе из нагнетающего насоса регулируется перепускным клапаном маслоагрегата. Маслоагрегат установлен на КДА.

Перепускной клапан маслоагрегата предназначен для поддержания заданного давления на режимах n2 ³ 85%.

Регулировка клапана основного режима работы осуществляется при помощи упора.

Тонкость фильтрации маслофильтра не хуже 70 мкм.

Маслофильтр предназначен для очистки масла, поступающего в систему нагнетания, а также для контровки состояния деталей. Маслофильтр состоит из набора сетчатых фильтрующих секций, с монтированных на каркасе с крышкой. Каркас имеет продольные сквозные пазы для выхода масла. В крышке расположено уплотнительное кольцо. Корпус маслофильтра - элемент конструкции маслобака. Маслофильтр крепится в корпусе винтом и траверсой. Для слива масла из полости фильтра имеется сливной трубопровод. При засорении фильтрующих секций (сопротивление фильтрующего пакета более 1,8 кгс/см2) масло, минуя фильтропакет, проходит через перепускной клапан.

Теплообменник охлаждает масло топливом, поступающим в основную камеру сгорания.

Охлаждение масла происходит на всех режимах двигателя. Теплообменники охлаждают масло, поступающее к опорам двигателя при более интенсивном их разогреве, происходящем при полете самолета на больших скоростях. Охлаждение масла в теплообменнике производится топливом, питающим форсажную камеру. Включение теплообменника производится по команде от РСФ при включении форсированного режима.

К обечайке приварены кронштейны для крепления теплообменника на двигателе. Холодное топливо через входное телескопическое соединение поступает в полость крышки и, пройдя через трубки сота, отводится через выходное телескопическое соединение из теплообменника.

При повышении сопротивления в топливной полости теплообменника открывается клапан, и часть топлива поступает в двигатель, минуя теплообменник. Горячее масло из нагнетающего насоса через входное телескопическое соединение поступает в межтрубную полость теплообменника и оттуда через выходное телескопическое соединение поступает в двигатель.

При повышении сопротивления в межтрубной полости теплообменника открывается клапан, и часть масла поступает в двигатель, минуя теплообменник.

Топливомасляные теплообменники размещены в верхней части корпуса наружного контура.

Давление открытия обратного клапана не более 0,05 кгс/см2.

Обратный клапан служит для предотвращения попадания масла из ВКА в систему нагнетания двигателя.

Клапан переключения предназначен для подключения теплообменника на форсированных режимах по команде от РСФ.

Клапан установлен на фланце маслобака.

Герметичность полостей клапана обеспечивается уплотнительными кольцами.

Система предназначена для откачки масла в маслобак из опор двигателя, КДА и ВКА.

Система включает: откачивающий насос передней опоры; откачивающий насос задней опоры КНД и передних опор РВД и ТНД; нижний откачивающий насос; откачивающий насос маслоагрегата; откачивающие насосы ВКА; обратные клапаны; перепускной клапан; сигнализатор стружки в масле; магнитную пробку с клапаном; клапан-пробку; неприводной центробежный воздухоотделитель; трубопроводы; дополнительный сливной бачок.

Откачивающий насос передней опоры КНД предназначен для откачки масла из передней опоры КНД, установлен в полости передней опоры. Откачивающий насос - центробежно-шестеренного типа. Насос приводится во вращение валом ротора КНД через гибкий вал; снабжен двумя заборниками с защитными сетками.

Откачивающий насос предназначен для откачки масла из задних опор РВД и ТНД, а также из задней опоры КНД и передних опор РВД и ТНД. Насос приводится во вращение от вала КВД через ЦКП и вертикальную рессору.

Насос снабжен тремя заборниками с защитными сетками.

Нижний откачивающий маслонасос предназначен для откачки масла из задних опор РВД и ТНД, а также из задней опоры КНД и передних опор РВД и ТНД. Насос приводится во вращение от вала КВД через ЦКП и вертикальную рессору.

На верхнем корпусе нижнего откачивающего маслонасоса имеется фланец для подвода масла из системы нагнетания для подпитки насоса маслом на режимах, когда масло из опор откачивается, в основном, насосами, размещены в них.

Откачивающий насос задних опор РВД и ТНД предназначен для откачки масла из опор РВД и ТНД, установлен в полости опор. Откачивающий насос задних опор РВД и ТНД аналогичен по конструкции откачивающему насосу передней опоры КНД. Насос приводится во вращение от вала ТНД через гибкий вал. Насос снабжен двумя заборниками с защитными сетками.

Откачивающий насос маслоагрегата предназначен для откачки масла из КДА, размещен в одном корпусе маслоагрегата с нагнетающим насосом и перепускным клапаном. Масло из КДА поступает в насос через канал, отлитый в корпусе КДА. Внутри канала установлен сетчатый фильтр грубой очистки.

Два откачивающих насоса ВКА - предназначены для откачки масла из ВКА и установлены на корпусе ВКА через рессору. Каждый насос снабжен одним заборником с защитной сеткой.

Обратные клапаны установлены:

в магистрали откачки масла из ГТДЭ;

в магистрали откачки масла из двигателя.

Магнитная пробка с клапаном предназначена для выявления разрушений и износа омываемых маслом деталей ВКА методом улавливания стальных (ферромагнитных) частиц. Магнитная пробка с клапаном установлена в магистрали откачки масла из ВКА. Пробка установлена в корпус клапана, фиксируется в нем замком байонетного типа и контрится проволокой.

В корпусе клапана имеются три отверстия для подвода масла к магниту пробки. При извлечении пробки эти отверстия перекрываются клапаном, что препятствует вытеканию масла из магистрали. Для обеспечения герметичности соединений по цилиндрической поверхности пробки и под фланец корпуса установлены уплотнительные кольца. Корпус клапана крепится к фланцу корпуса двумя болтами. Осмотр магнитной пробки обеспечивает обнаружение дефектов деталей ВКА и облегчает поиск неисправности двигателя при срабатывании сигнализатора стружки в масле.

Неприводной центробежный воздухоотделитель предназначен для отделения масла, поступающего из магистралей системы откачки, от воздуха. Воздухоотделитель расположен в заливной горловине маслобака. Масловоздушная эмульсия в тангенциальном направлении подводится по трубопроводу к воздухоотделителю, в которую масло, отделяясь от воздуха, стекает в маслобак, а воздух через отверстия воздухоотделителя выходит в верхнюю часть маслобака.

Маслобак сварной конструкции. Заправка маслобака может производиться через штуцер заправки под давлением или, при отсутствии штатного заправщика, через заправочную горловину с крышкой. Маслобак прикреплен к двигателю двумя металлическими лентами.

Топливная система включает: топливную систему низкого давления; основную топливную систему; топливную систему форсажной камеры; систему управления регулируемым реактивным соплом; систему ликвидации помпажа; систему управления поворотными закрылками ВНА КНД и поворотными лопатками НА КВД; систему аварийного слива топлива; дренажную систему

Все гидромеханические агрегаты топливной системы установлены на двигателе

Комплексный регулятор двигателя (КРД) установлен на самолете.

Исполнительные механизмы КРД, установленные на двигателе, приведены в таблице 1.

Управление подачей топлива осуществляется рычагом управления двигателем, электрическими командами и регулятором автоматики

Топливная система низкого давления предназначена для повышения давления топлива, поступающего из топливной системы самолета, его фильтрации, подачи в агрегаты и слива из агрегатов топливной системы двигателя.

В состав системы входят: проставка; топливоподкачивающий центробежный насос; топливный фильтр; трубопроводы; трубопроводы слива.

Основная топливная система предназначена для подачи топлива в основную камеру сгорания и автоматического поддержания заданного режима работы двигателя.

В систему входят: насос-регулятор; распределитель топлива; два датчика температуры «ТДК»; комплексный регулятор двигателя; топливный коллектор первого и второго каскадов с форсунками ОКС; узел управления НР и РСФ от РУД; трубопроводы и электрожгуты; топливный фильтр.

Топливная система форсажной камеры предназначена для подачи и распределения топлива в коллекторы форсажной камеры.

В топливную систему входят: форсажный насос; регулятор сопла и форсажа; распределитель форсажного топлива; воздушный фильтр-редуктор; топливные коллекторы; узел управления НР и РСФ от РУД; трубопроводы и электрожгуты; комплексный регулятор двигателя.

Система управления регулируемым реактивным соплом (РС) предназначена для изменения площади его критического сечения (Fс) в соответствии с законами регулирования РС и режимами работы двигателя.

Система включает: топливный насос высокого давления (НП); топливный фильтр системы управления РС; агрегат управления насосом высокого давления (АУНП); гидроцилиндры РС; обратную связь; регулятор сопла и форсажа (РСФ); пневмоцилиндры; трубопроводы;

Система ликвидации помпажа предназначена для защиты двигателя от помпажа: кратковременным выключением его с одновременным поворотом лопаток НА КВД и ВНА КНД увеличением площади критического сечения реактивного сопла; включением встречного запуска с последующим восстановлением исходного режима работы двигателя.

Система ликвидации помпажа включает: электронный блок противопомпажной защиты БПЗ в КРД; приемник давления воздуха; сигнализатор помпажа (СПТ); исполнительные механизмы в НР;

Система управления поворотными закрылками ВНА КНД и поворотными лопатками НА КВД предназначена для изменения положения:

закрылков ВНА КНД - по программе ;

лопаток НА КВД - по программе .

Система состоит из: регулятора ВНА КНД; регулятора НА КВД; гидроцилиндров поворота закрылков ВНА КНД; из гидроцилиндров поворота лопаток НА КВД; механической обратной связи ВНА КНД; механической обратной связи НА КВД; трубопроводов; датчиков положения ДП-11, ДС-11В

Система аварийного слива предназначена для слива топлива из баков самолета в полете.

Система включает: агрегат аварийного слива; форсажный насос; трубопроводы; электрические коммуникации.

Дренажная система предназначена для отвода из двигателя топлива и масла, проникающих через уплотнения агрегатов, и для слива остатков топлива из топливной системы и полостей двигателя после его выключения.

Основные эксплуатационные технические данные:

максимальное давление воздуха в системе противообледенения за агрегатом управления - 5,5 кгс/см2

максимальная температура воздуха в системе противообледенения - 480°С

Система противообледенения двигателя предназначена для обогрева воздухом кока и ВНА КНД. Система включается автоматически по сигналу сигнализатора обледенения или вручную выключателем в кабине.

Система противообледенения включает: агрегат управления; пневматический электромагнитный клапан; воздушный фильтр; сигнализатор обледенения; трубопроводы и электропровода; электрические коммуникации.

Работа

При образовании льда на коке, ВНА КНД сигнализатор обледенения или вручную включенная система противообледенения подает электрическую команду на открытие пневматического клапана. Клапан открывает подвод воздуха из коллекторной полости за ВВТ через воздушный фильтр и клапан в бесштоковую полость пневмоцилиндра агрегата управления.

Регулирование расхода воздуха для обогрева происходит в зависимости от температуры воздуха за седьмой ступенью КВД.

При изменении температуры воздуха от 120 до 480°С длина термобиметаллической пружины изменяется, что вызывает поворот барабана. Проходная площадь окон стакана изменяется, расход горячего воздуха увеличивается или уменьшается. Окна стакана открыты при температуре воздуха £ 120°С и закрыты при температуре ³480°С.

При снятии электрической команды с пневматического электромагнитного клапана закрывается проход воздуху к пневмоцилиндру агрегата управления, а бесштоковая полость пневмоцилиндра сообщается с атмосферой. При этом под действием усилия пружины поршень перемещается и поворачивает заслонку, которая закрывает проход воздуху к ВНА КНД и коку. При перемещении поршня влево выключается микровыключеталь и снимает электрический сигнал с бортового регистратора о включении противообледенительной системы.

Автомат запуска двигателя предназначен для автоматического запуска двигателя 99 газотурбинным стартером ГТДЭ-117-1, для управления системами двигателя.

Автомат обеспечивает: запуск двигателя на земле; прокрутку двигателя; прокрутку стартера; запуск двигателя в воздухе (при работающем стартере: автоматический запуск по РУД; дублированный запуск выключателем; встречный запуск двигателя); прекращение процессов запуска, прокрутку двигателя и стартера, подготовку автомата к повторному включению; управление системами двигателя ( аварийного слива топлива; прикрытия створок.; изменения темпа сброса частоты вращения двигателя).

Принцип действия автомата заключается в выдаче электрических команд на включение и отключение агрегатов запуска двигателя и стартера по времени или сигналам, поступающим от стартера или от двигателя.

Автомат обеспечивает проведение всех операций по эксплуатации изделия.

2.2 Работа

Воздух из самолетного воздухозаборника поступает в КНД. В промежуточном корпусе (за КНД) воздух разделяется на два потока - внутренний и наружный.

Поток воздуха во внутреннем контуре поступает на КВД в основную камеру сгорания, где смешивается с топливом, впрыскиваемым через двухкаскадные форсунки коллектора основной топливной системы. Смесь воспламеняется разрядом полупроводниковых свечей. Топливо, сгорая, повышает температуру смеси. Образовавшийся газ поступает за турбину (ТВД и ТНД), вращающую роторы высокого и низкого давления.

Поток воздуха в наружном контуре обтекает трубчатые модули теплообменника, снижая температуру воздуха, поступающего на охлаждение элементов турбины.

Смешение потоков газа внутреннего контура и воздуха наружного контура происходит в смесителе.

На форсированных режимах в ФК подается топливо, которое, сгорая, повышает энергию газа. Дополнительная энергия реализуется в РС, в результате чего увеличивается тяга двигателя.

3. Повышение надежности и увеличение ресурса особо нагруженных деталей двигателя

.1 Расчет на прочность вала КНД

.1.1 Основные технические требования

Технические условия на изготовление валов зависят от требований к конструкции. Обработку валов производят, как правило, в центрах.

Наиболее жесткие требования по точности и шероховатости поверхности предъявляются к шейкам валов, на которые устанавливают подшипники качения.

Овальность и конусность мест, посадки не должны превышать 0,5 допуска на диаметр, а для подшипников классов точности 5, 4 и 2 - 0,25 допуска на диаметр.

Биение заплечника для подшипников классов 0 и 6 не должно превышать 0,02-0,03 мм, а для подшипников классов точности 5, 4 и 2 - 0,003 - 0,018 мм.

Контроль шеек осуществляется индикатором или миниметром.

Параметры шероховатости поверхности шеек под подшипники принимают равными Rа=0,032¸1,25мкм.

Допуски на относительное радиальное биение шеек валов для посадки зубчатых колец, муфт, шкивов и других подобных деталей в зависимости от окружной скорости по внешнему диаметру составляют (0,7-2)d (здесь d - допуск на диаметр контролируемой шейки вала; меньшее значение соответствует окружной скорости u>10 м/с).

Допуски на биение упорных буртиков валов в зависимости от диаметра вала, окружной скорости сопряженных с валом деталей, а также кинематической точности зубчатых колес изменяются от 0,01 до 0,06 мм (большие значение назначают при диаметрах вала свыше 55 мм).

Допуски на перекос и несимметричность расположения шпоночных пазов на валу составляют соответственно 0,5d и 2d (здесь d - допуск на ширину шпоночного паза). Если деталь устанавливают на двух шпонках, то допуск на их симметричность принимают равным 0,5d.

Технологический контроль вала включает проверку диаметральных и линейных размеров (скобами и универсальными измерительными средствами) ступеней, взаимного расположения обработанных поверхностей, чистоты обработки и твердости.

3.1.2 Общие положения

Предел выносливости деталей и из элементов определяют на базе 2×107 циклов, кроме специальных случаев.

При расчетной оценке влияния эксплуатационных, конструктивных и технологических факторов используются зависимости и экспериментальные данные, соответствующие базе 2×107 циклов.

Расчетно-экспериментальное определение пределов выносливости по результатам натурных испытаний

Испытания деталей ГТД и их элементов с целью определения пределов выносливости должны проводиться в условиях, наиболее имитирующих реальные условия работы.

Влияние факторов, невоспроизведенных при испытаниях деталей, должно быть учтено по результатам испытаний образцов, изготовленных из материала детали.

Испытания таких образцов необходимо проводить с одновременным воспроизведением нескольких факторов: асимметрия цикла и температуры; асимметрия цикла, температуры и концентрации напряжений; концентрации напряжений, температуры, шероховатости поверхности и упрочнения и т.д.

Пределы выносливости литых лопаток компрессоров при повышенных температурах необходимо определять по результатам натурных испытаний при заданной температуре.

3.1.3 Нагрузки на валы и расчетные схемы

Для оценки прочности необходимо знать действительное распределение напряжений в сечениях вала о внешних нагрузок (постоянных и переменных).

Внешние нагрузки предаются на валы от сопряженных деталей (зубчатых колес, муфт и т.д.) и могут быть определены путем расчета (стационарные устройства при установившихся режимах работы; конвейеры с непрерывным питанием, грузоподъемные устройства и т.д.).

Если внешние нагрузки известны, то при расчетном определении внутренних силовых факторов в сечениях вал рассматривают как балку, шарнирно закрепленную в жестких опорах. Такая модель формы вала и условий закрепления близка к действительности для валов, вращающихся в опорах качения.

При установке в опоре двух подшипников качения большую часть нагрузки будет воспринимать внутренний подшипник. В этом случае условную опору можно поместить во внутреннем подшипнике. В более точных расчетах вал рассчитывают как многоопорную балку на упругих опорах с осадкой (вертикальным смещением):

,

где k- коэффициент;

- для однорядного радиального роликоподшипника;

- для цилиндрического роликоподшипника;

- для конического роликоподшипника широкой серии;

 - для конического роликоподшипника нормальной серии;ширина кольца; d и D - соответственно внутренний и наружный диаметры подшипника, см; Р- радиальная нагрузка, кгс. Обычно d/Р =(5¸10)10-8 см/кгс.

Условную опору для валов, опирающихся по концам на подшипники скольжения, располагают на расстоянии (0,25-0,3)l от внутреннего торца, но не далее 0,5d от внутренней кромки подшипника.

Смещение опоры от центра подшипника в сторону внутреннего торца связано со смещением в эту сторону максимальных контактных давлений вследствие деформации вала подшипника.

В уточненном расчете следует учесть распределение давлений по длине контакта цапфы и подшипника, рассматривая упругий контакт вала и подшипника через условный контактный слой.

Нагрузки от дисков, шкивов, зубчатых колес и других деталей также передаются на валы через площадки контакта. Распределение давлений (напряжений) в зонах контакта зависит от ряда конструктивных и технологических факторов, а расчетное определение этих давлений в соединениях и передачах связано со значительными математическими трудностями. В приближенных расчетах валов обычно не учитывают распределение нагрузок по длине зубьев зубчатых колес и шлицевых соединений, вдоль шпонок, вкладышей подшипников скольжения и других деталей, и при составлении расчетной схемы вала эти давления обычно заменяют эквивалентными сосредоточенными силами, приложенными в середине площадки контакта.

3.1.4 Расчет статической прочности, жесткости и устойчивости валов

Исходные данные:

=0,083м; D=0,1м; a=d/D=0,83

Нагрузки (Н=0; М=1 для расчета нагрузок на КНД):

осевая сила Рос=104кг;

изгибающий момент Мизг=0 кг×м;

крутящий момент Мкр=2,5×106 кг×м;

температура Т=200°С.

Характеристики материала 15Х16К5Н2МВ ФАБ (ЭП 866) (справочник ВИАМ т.3, стр.67):

sв=100 кг/мм2; s02=85 кг/мм2; s-1 =56 кг/мм2 на базе 2×107 цикла; d5=12%; y=45%; Е=19500 кгс/мм2; t-1=33,6 кг/мм2.

Основными для валов являются постоянные и переменные нагрузки от деталей передач и рабочих дисков (например, дисков компрессора, турбины и т.д.).

Переменные напряжения в валах могут вызываться изменяющейся по времени внешней нагрузкой.

Постоянные по величине и направлению силы передач вызывают во вращающихся валах переменные напряжения, изменяющиеся по асимметричному циклу. Валы могут быть нагружены и постоянными напряжениями (например, от неуравновешенности вращающихся деталей).

На статическую прочность валы рассчитывают по наибольшей возможной кратковременной нагрузке (с учетом динамических и ударных воздействий), повторяемость которой мала и не может вызвать усталостного разрушения.

Так как валы в основном работают в условиях изгиба и кручения, а напряжения от продольных усилий не велики, то эквивалентное напряжение в точке наружного волокна

,

где sи - наибольшее напряжение при изгибе моментом Ми;

sи=0, sи - наибольшее напряжение при растяжении:

;

tк- наибольшее напряжение при кручении моментом Мк,

Мк и Wк - соответственно осевой и полярный моменты сопротивления сечения вала

Геометрические характеристики сечения:

Запас статической прочности по эквивалентным напряжениям для наиболее напряженных режимов нагружения определяется как отношение:

, где

sдл - предел длительной прочности материала, соответствующий температуре времени работы на рассматриваемом режиме нагружения;

sэкв - максимальное эквивалентное напряжение с учетом одновременного действия осевой силы, крутящего момента и изгибного момента

Запас статической прочности по разрушающему крутящему момент определяется соотношением:

, где

Запас устойчивости при кручении определяется для валов, имеющих отношение  в пределах 0,5¸0,96 по зависимости:

расчетное значение крутящего момента, приводящего к потере устойчивости, определяется по формуле:

 ,

где l - длина гладкой части вала одного диаметра,

D - наружный диаметр вала

Определение запаса по сопротивлению усталости

Запас по сопротивлению усталости валов в расчетном сечении определяется при наиболее неблагоприятном режиме работы по зависимости:

Для случая, когда амплитуда и среднее напряжение цикла возрастают пропорционально, запасы по сопротивлению усталости вала изгибе и кручении определяются по следующим формулам:

- пределы выносливости материала вала при изгибе, определяющиеся по результатам главных образцов на базе 107 циклов;

 - эффективные коэффициенты концентрации напряжений при изгибе и кручении;

 - коэффициенты, учитывающие влияние абсолютных размеров вала для нормальных и касательных напряжений;

 - коэффициенты, характеризующие чувствительность материала и асимметрию цикла.

- коэффициенты, учитывающие влияние состояния поверхности

 - взяты из ОСТ1 02569-85.

 - из справочника

Из справочника «Расчет на прочность деталей машин» таблица 8, стр.137 принимаем

Коэффициенты, учитывающие влияние абсолютных размеров вала для нормальных и касательных напряжений вычисляют по формулам:

;

,

где - пределы выносливости детали или гладкого образца с размерами поперечного сечения, равными размерами детали в опасном сечении.

Коэффициенты  определяют экспериментально по результатам испытаний образцов или деталей.

При отсутствии экспериментальных данных о влиянии масштабного фактора на предел выносливости образцов из материала детали, значение следует вычислять по формуле:

где - нижняя граница снижения  при увеличении размеров поперечного сечения,

принимаем - диаметр образца, мм.

Коэффициент влияния масштабного фактора при кручении принимают равным .

При заданной чистоте поверхности  принимаем , где h - глубина максимального поражения в изломе деталей или образцов, испытанных на усталость при определении предела выносливости деталей или образцов, выдержанных в средах, имитирующих условия эксплуатации ().

Коэффициент, характеризующий чувствительность материала и асимметрию цикла определяется по формуле:

Подставляя полученные коэффициенты, можем определить запасы по сопротивлению усталости вала изгибе и кручении:

Запас по сопротивлению усталости валов в расчетном сечении определяется в таком случае:

3.1.5 Определение критических частот вращения вала

Рассмотрим вал на двух опорах с диском посередине, вращающийся с угловой скоростью w.

Для того чтобы выяснить, является ли вращение вала с прямолинейной осью устойчивым, предположим, что вал получил некоторое отклонение и центр тяжести диска стал двигаться по окружности радиуса . Тогда на диск действуют центробежная сила и сила упругости:

где m - масса диска; a - прогиб среднего сечения вала от действия единичной силы; для вала постоянного сечения:

, где

полярный момент инерции сечения.

Если С>F, то после отклонения вал снова вернется в первоначальное положение, т.е. прямолинейное положение оси является устойчивым.

В момент равновесия, т.е. в момент начала потери устойчивости, когда С=F, прогибы могут безгранично возрастать. В этом случае центробежные силы в отклоненном положении равны силам упругости, стремящимся вернуть вал в исходное состояние. Частоты вращения, при которых наступает равенство центробежных сил и сил упругости, называют критическими.

При критическом значении w величина С=F, отсюда

или

 (1)

Критическая частота вращения в об/мин

Равенство центробежных сил и сил упругости имеет место при любой величине прогиба, так как в пределах применимости линейной теории обе указанные силы пропорциональны прогибам.

Можно представить, что при критической частоте вращения вал совершенно теряет жесткость на изгиб; даже малая сила может вызвать значительные прогибы.

Из равенства (1) следует, что критическая угловая скорость совпадает с круговой частотой поперечных (изгибных) колебаний вала. Этот вывод справедлив и в общем случае, если детали, закрепленные на валу, рассматривают как точечные массы.

4. Способы повышения надежности и прочности особо нагруженных деталей двигателя

.1 Классификация методов упрочнения

В машиностроении используют различные технологические методы обеспечения заданных параметров поверхностного слоя деталей с учетом заданных эксплуатационных особенностей.

Упрочнение поверхностным деформированием, обеспечивающим получение в поверхностном слое структур с повышенным содержанием дефектов, широко используется для повышения сопротивления усталости как деталей без концентраторов напряжений, так и деталей с концентраторами напряжений, работающих при умеренных температурах нагрева (до температур возврата).

Химико-термические и термические упрочняющие методы обработки (поверхностная закалка, цементация, ионное азотирование, алитирование, борирование) позволяют резко изменить физико-химическое состояние поверхностного слоя деталей и обеспечить требуемые эксплуатационные свойства (износостойкость, сопротивление усталости, жаростойкость и др.). Применение этих методов является не только эффективным, но в ряде случаев, единственно возможным способом обеспечения заданного ресурса и надежности работы деталей.

Жаростойкость, износостойкость и сопротивление коррозии могут быть существенно повышены при нанесении на рабочую поверхность детали металлических и неметаллических покрытий.

Практическое применение получили наплавление, лазерная обработка, ионное легирование и т.д. Некоторые из этих технологических процессов одновременно повышают сопротивление усталости, сопротивление коррозии и другие эксплуатационные свойства поверхностного слоя детали.

Классификация методов обеспечения требуемых параметров поверхностного слоя деталей машин для заданных условий эксплуатации приведена в таблице 4.1.

4.2 Упрочнение химико-термическими методами

Химико-термической обработкой (ХТО) называется процесс изменений химического состава, микроструктуры и свойств поверхностных слоев деталей.

При эксплуатации деталей в разных агрессивных средах, в условиях знакопеременных нагрузок наибольшим воздействиям подвергаются поверхностные слои металла.

Поверхностное легирование заключается в нагреве и выдержке металлов и сплавов при высокой температуре в газовых, жидких и твердых средах. В результате этого изменяется химический состав, структура и свойства поверхностных слоев металлов и сплавов.

Если раньше химико-термической обработке подвергали лишь стали, то теперь ее используют для улучшения свойств поверхностных слоев таких металлов, как молибден, вольфрам, титан, ниобий, тантал, цирконий, кобальт, никель, медь, а также сплавов на их основе.

В настоящее время в промышленности распространены следующие виды химико-термической обработки:

цементация - насыщение углеродом;

азотирование - насыщение азотом;

нитроцементация и цианирование - насыщение азотом и углеродом;

а также различные процессы диффузионной металлизации - хромирование, алитирование, титанирование, а также борирование, силицирование, карбонитрация, многокомпонентные покрытия.

4.2.1 Сущность метода ионного азотирования

Азотированием называется процесс насыщения поверхности стальных и чугунных деталей азотом. Азотированный слой имеет высокую твердость, которая сохраняется до температур 600¸650°С. Азотированный слой имеет высокую износостойкость, хорошую коррозионную стойкость, повышает сопротивляемость деталей усталостному разрушению, способствует уменьшению склонности к задиранию, повышает шлифуемость и полируемость.

С другой стороны, процесс азотирования более длителен, чем цементация. Азотирование применяется для упрочнения гильз цилиндров, клапанных пружин дизельных двигателей, колончатых валов, ходовых винтов различного инструмента, деталей турбин и т.д.

Толщина азотированного слоя и содержание в нем азота зависит от многих факторов. Количество продиффудированного в металл активного азота определяется температурой процесса, давлением и скоростью прохождения аммиака через печь. Обычно азотирование производится при температуре 500¸600°С в течение 30¸60 часов. При этом глубина азотированного слоя получается в пределах 0,25¸0,65 мм. С повышением температуры процесса скорость диффузии резко возрастает, что позволяет сократить время азотирования. Однако при этом происходит коагляция нитридов и снижается поверхностная твердость.

Азотированию подвергают стали, имеющие в своем составе сильные нитридообразователи. Для азотирования используют стали 38ХВФ10А, 38ХЮ, 12Х2Н4ВА и др. Кроме того, азотированию подвергают детали коррозионностойких, жаростойких и инструментальных сталей. Предварительно изделия проходят необходимую механическую, а также термическую обработку, заключающуюся обычно в улучшении или закалке и высоком отпуске.

Основными широко распространенными двигателей во многом определяется состоянием их поверхности и, в первую очередь, ее износостойкостью.

Долговечность деталей газотурбинных методами повышения износостойкости поверхности деталей авиационных двигателей и самолетов являются азотирование, цементация и нитроцементация.

Детали, которые в процессе эксплуатации в основном работают на трение, подвергаются азотированию. Поверхности деталей, которые испытывают в работе переменные контактные нагрузки, упрочняют цементацией или нитроцементацией.

Однако эти методы, несмотря на их эффективность, доставляют много трудностей в производстве, особенно при изготовлении деталей сложной конфигурации, с тонкими стенками, высокой степенью точности.

Широко используемый в промышленности метод азотирования в диссоциированном аммиаке с применением печного нагрева обладает такими серьезными недостатками, как большая длительность процесса, трудность насыщения азотом легко пассивирующихся высоколегированных сталей, образование хрупкой e-фазы на поверхности деталей, их значительные нестабильные деформации.

В результате цементации деталей с последующим их нагревом до высокой температуры и резким охлаждением при закалке возникают значительные деформации, требующие больших припусков, а в связи с этим времени затрат на доработку. Шлифование, являющееся основной операцией при обработке азотированных, цементированных и закаленных поверхностей, представляет собой длительный и трудоемкий процесс. При обработке деформированных деталей часто съем упрочненного слоя бывает неравномерным, что снижает качество и долговечность деталей. Иногда же деформации выходят за поле допуска припуска на обработку, что является неисправимым браком. Кроме того, как после цементации, так и после азотирования сложных деталей некоторые поверхности бывают недоступны для шлифования, и приходится доводить детали еще более трудоемкой операцией - притиркой.

Внедрение нового, экологически чистого, процесса ионного азотирования позволило не только избавиться от перечисленных выше недостатков, но и добиться ряда важных преимуществ.

С помощью ионного азотирования достигнута высокая эффективность повышения стойкости режущих инструментов и штампов горячего деформирования при изготовлении деталей из труднообрабатываемых жаропрочных никелевых, титановых и нержавеющих сталей.

4.2.2 Ионное азотирование деталей

Долговечность деталей газотурбинных двигателей во многом определяется состоянием их поверхности, и в первую очередь ее износостойкостью. Одним из широко распространенных методов повышения износостойкости поверхностей деталей авиационных двигателей и самолетов является азотирование. Азотированию подвергаются детали, которые в процессе эксплуатации в основном работают на трение.

Азотирование представляет собой процесс диффузионного насыщения поверхностных слоев стальных изделий азотом. Азотирование проводится с целью повышения твердости и износостойкости поверхностных слоев стальных изделий, улучшения сопротивления усталости и электрохимической коррозии деталей.

При азотировании азот образует с железом ряд фаз: азотистый феррит - твердый раствор азота в a-железе, азотистый аустенит - твердый раствор азота в g-железе, промежуточные g‘ -фазу Fe4N, e-фазу Fe2N и др. Однако нитриды железа обладают недостаточной прочностью, твердостью, высокой хрупкостью по сравнению с нитридами хрома CrN, Cr2N, молибдена MoN, алюминия AlN и некоторых других легирующих элементов. Поэтому азотированию подвергают легированные стали, содержащие указанные элементы: 45Х14Н14В2М, 1Х12Н2ВМФ, 15Х16К5Н2МВФАБ-Ш и другие стали, которые используются для изготовления втулок, штоков, седел клапанов, различных корпусов и т. д.

Широко используемый в промышленности метод азотирования в диссоциированном аммиаке с применением печного нагрева обладает такими серьезными недостатками, как большая длительность процесса, трудность насыщения азотом легко пассивирующихся высоколегированных сталей, образование хрупкой e-фазы на поверхности деталей, их значительные нестабильные деформации. Шлифование, являющееся основной операцией при обработке азотированных поверхностей представляет собой длительный и трудоемкий процесс.

Процесс ионного азотирования осуществляется в вакуумной рабочей камере, в которой детали являются катодом, а заземленный корпус камеры - анодом. При пониженном давлении азотосодержащей атмосферы приложение электрического потенциала между деталями и корпусом камеры вызывает ионизацию газа. В результате бомбардировки ионами детали нагреваются до требуемой температуры, а поверхность, насыщаясь азотом, упрочняется.

Обычно азотирование проводят при температурах ниже 600°С, когда происходит преимущественная диффузия азота. Скорость диффузионного переноса азота зависит от температуры, градиента концентрации, состава и строения основного материала и других факторов. Диффузия атомов азота осуществляется по вакансиям, дислокациям и другим дефектам кристаллического строения. В результате диффузии изменяется концентрация азота в поверхностном слое по глубине.

Наибольшее ускорение процесса азотирования достигается в плазме тлеющего разряда, когда в разряженной атмосфере между деталью (катодом) и анодом возбуждается тлеющий разряд. Ионы газа бомбардируют поверхность катода и нагревают ее до температуры 470-580°С. Положительно заряженные ионы азота под действием энергии электростатического поля движутся с определенной скоростью по перпендикуляру к поверхности детали, причем энергия иона азота, полученного в плазме тлеющего разряда, при разности потенциалов 800 В примерно в 3000 раз превосходит энергию атома азота при печном азотировании в диссоциированном аммиаке. Ионы азота нагревают поверхность детали, а также распыляют атомы железа с поверхности (катодное распыление). Атомы железа соединяются с азотом в плазме тлеющего разряда и образуют нитрид железа, который осаждается на поверхности детали тонким слоем. Впоследствии бомбардировка слоя FeN ионами азота сопровождается образованием низших нитридов FeN®Fe3N®Fe4N и твердого раствора азота в a-железе Fea(N). Азот, образовавшийся при распаде низшего нитрида, диффундирует в глубь материала детали, а железо снова распыляется в плазму.

В отличие от печного нагрева при ионном азотировании (в плазме тлеющего разряда) разогрев деталей осуществляется за счет энергии плазмы, расходуемой пропорционально массе садки. При этом не требуется печей с массивной кладкой.

Азотирование легкопассивирующихся высокохромистых нержавеющих сталей обязательно требует добавок водорода в газовую среду. Для получения качественных диффузионных слоев без e-фазы на поверхности при ионном азотировании сталей различных классов целесообразно проводить стадию катодного распыления в водороде при давлении около 13 Па и напряжении около 1000 В, а стадию насыщения - в смеси (3-5%) водорода и (95-97%) азота при давлении 133-1330 Па. Газовая среда такого состава обеспечивает равномерность толщины диффузионных слоев на деталях, размещенных в садке по объему рабочей камеры. Увеличение давления смеси на второй стадии (азотировании) способствует росту глубины диффузионного слоя.

Установлено, что продолжительность процесса ионного азотирования примерно вдвое меньше, чем печного азотирования, по действующей серийной технологии. Зависимость глубины диффузионного слоя от продолжительности насыщения при ионном азотировании так же, как и при печном, имеет параболический характер. Влияние температуры ионного азотирования на глубину слоя имеет зависимость, близкую к экспоненте.

При обычном азотировании в диссоциированном аммиаке максимум твердости для большинства сталей располагается на некотором расстоянии от поверхности, а поверхностный слой, являющийся хрупкой e-фазой, как правило, сошлифовывается. В результате ионного азотирования максимальную твердость имеет поверхность. Диаметры азотированных деталей типа «вал» изменяется, как правило, на 30-40 мкм, что зачастую укладывается в поле допуска. Поэтому, учитывая высокое качество поверхности после ионного азотирования и сохранение чистоты, можно ее не обрабатывать, либо ограничиться полированием или легкой притиркой.

С помощью ионного азотирования на базовом заводе удалось достичь высокой эффективности в повышении стойкости режущих инструментов и штампов горячего деформирования при изготовлении деталей из труднообрабатываемых жаропрочных никелевых, титановых и нержавеющих сталей.

Практика внедрения и использования процесса ионного азотирования деталей в промышленности показала целесообразность широкого внедрения этого процесса в серийное производство. Процесс ионного азотирования позволяет:

увеличить ресурс работы азотированных деталей;

обеспечить упрочнение деталей, для которых применение других способов упрочнения затруднительно или невозможно;

сократить трудоемкость изготовления за счет ликвидации операции по нанесению гальванопокрытий;

в ряде случаев отказаться от шлифования после азотирования;

сократить продолжительность цикла азотирования более чем в 2 раза;

улучшить гигиену труда.

Особенностью производства авиационных двигателей является большое разнообразие марок сталей, в том числе упрочняемых азотированием. Разработке технологического процесса ионного азотирования предшествовал глубокий анализ достижений в этой области зарубежных и отечественных исследований.

Исследованию упрочнения ионным азотированием подвергались конструкционные стали перлитного, аустенитного, мартенситного, переходного классов, мартенситно-стареющие стали следующих материалов: 38Х2МЮА, 30Х3ВА, 38ХА, 40ХА, 13Х11Н2В2МФ (ЭИ961), 45Х14Н14В2М (ЭИ69), 25Х18Н8В2, 40Х10С2М, 14Х10С2М, 14Х17Н2, 15Х15К5Н2МВФАБ-Ш (ЭП866), 30Х2НВА, 16Х3НВФАБ-Ш, (ДИ39, ВКС-5), Н18К9М5Т (МС200) и др. Задача исследований - разработка технологических процессов с целью перевода печного азотирования деталей на ионное, новых технологических процессов ионного азотирования деталей вместо цементации, а также ранее не упрочняемых химико-термической обработкой.

Для деталей, работающих на износ при небольших контактных давлениях в условиях коррозии, необходимо получение диффузионного слоя с развитой нитридной зоной, от которой зависит приработка трущихся поверхностей и сопротивление коррозии.

Для деталей, работающих при циклических нагрузках в условиях износа при повышенных контактных нагрузках, нужно стремиться к получению слоя с большой зоной внутреннего азотирования.

Варьирование структуры слоя позволяет получать разнообразные сочетания слоя и сердцевины. Это подтверждается многочисленными примерами азотирования для различных групп деталей.

При разработке технологических процессов были проведены комплексные систематические исследования влияния основных технологических факторов на качество и эксплуатационные характеристики диффузионного слоя при ионном азотировании с целью оптимизации их параметров.

Высокое содержание водорода в смеси, в том числе и соответствующее составу при полной диссоциации аммиака, способствует образованию нитридных фаз на азотируемой поверхности в виде монослоя вплоть до e-фазы (Fe2N). Кроме того, смесь азота с высоким содержанием водорода как в баллоне смесителя, где производится приготовление смеси, так и в рабочей камере через определенное время начинает оказывать влияние на глубину азотированного слоя, а также на его неравномерность на деталях по объему садки. Водород в газовой среде при ионном азотировании играет роль восстановителя оксидов на упрочняемой поверхности, препятствующих непосредственному контакту и взаимодействию азота с металлом.

Стали обычного класса азотируются в чистом азоте без добавок водорода. Однако азотированные слои не всегда бывают равномерными по глубине.

В результате исследований влияния давления в рабочей камере на качество азотированного слоя можно рекомендовать проведение первой стадии (катодного распыления) в водороде при давлении около 13 Па и при напряжении около 1000 В. Увеличение давления смеси второй стадии (азотировании) способствует росту глубины диффузионного слоя, и ионное азотирование следует проводить при давлении 133-1330 Па.

На качество диффузионных слоев влияют температура и продолжительность процесса. На рисунке.. показано влияние этих факторов на глубину слоя некоторых сталей, отличающихся составом и являющихся типичными представителями различных классов.

Установлено, что продолжительность процесса ионного азотирования примерно вдвое меньше, чем печного азотирования по действующей серийной технологии.

Распределение микротвердости по глубине азотированного слоя является важной эксплуатационной характеристикой. При обычном азотировании в диссоциированном аммиаке максимум твердости для большинства сталей располагается на некотором расстоянии от поверхности, а поверхностный слой, являющийся хрупкой e-фазой, как правило, сошлифовывается. В результате ионного азотирования всех сталей максимальную твердость имеет поверхность. Поэтому, учитывая высокое качество поверхности после ионного азотирования и сохранения чистоты, можно ее не обрабатывать либо ограничится полированием или легкой притиркой.

После ионного азотирования у всех сталей e-фаза на поверхности отсутствует. Отсутствие e-фазы на поверхности при ионном азотировании обусловлено, вероятно, барьерным воздействием оксидов, снижающих содержание азота непосредственно на металле, катодным распылением и меньшей устойчивостью e-фазы в вакууме и в плазме тлеющего разряда.

Одной из основных эксплуатационных характеристик многих деталей авиадвигателей и самолетов является износостойкость.

Исследование износостойкости проводилось как с поверхности азотированных образцов, так и после шлифования на глубину 0,03-0,06 мм.

Ионному азотированию деталей в серийном производстве подвергают в основном три вида деталей. Это детали, подвергаемые обычному азотированию в диссоциированном аммиаке, цементируемые детали с небольшими и средними нагрузками работы на изделии и детали со значительным износом, не подвергаемые упрочнению химико-термической обработкой из-за невозможности последующей доработки шлифованием ввиду сложной геометрической формы.

Большая длительность изотермической выдержки, достигающая 50 ч, при значительной номенклатуре азотированных деталей нередко нарушает ритмичность производства. Другим существенным недостатком серийной технологии является большая трудоемкость при изготовлении деталей, связанная с нанесением и удалением гальванических покрытий, применяемых для защиты от азотирования. Шлифование азотированных деталей, особенно сложной конфигурации, иногда сопровождается неравномерным браком, который практически не обнаруживается контролем и проявляется лишь в процессе эксплуатации на серийном двигателе в результате преждевременного износа дефектного слоя. При шлифовании деталей, особенно из такой сложнолегированной стали, как 15Х16К5Н2МВФАБ, на острых кромках иногда образовывались трещины вследствие релаксации остаточных напряжений, а также в местах перехода от цилиндрической поверхности к торцевой непосредственно после азотирования.

Целесообразно подвергать упрочнению ионным азотированием окончательно изготовленные детали. Это обусловлено тем, что максимальной твердостью и износостойкостью после ионного азотирования обладает непосредственно поверхность или близко прилегающие к ней слои, в то время как после обычного азотирования более работоспособными оказываются слои, расположенные на некотором расстоянии от поверхности.

Чтобы учесть припуск на «припухание» при изготовлении, было исследовано влияние ионного азотирования на изменение размеров деталей. Исследования проводились на типовых представителях деталей. Была установлена статистика распределения деталей по изменению размеров. Детали типа вал имеют после ионного азотирования увеличение диаметра. У втулок и сфер наружный диаметр увеличивается, а внутренний - уменьшается. У большинства азотированных деталей диаметр изменился на 30 - 40 мкм.

Некоторые детали азотируют после финишной механической обработки, и отклонения размеров укладывались в поле допуска. Таким образом, в процессе изготовления деталей исключалась трудоемкая операция шлифования азотированной поверхности. Это обстоятельство позволяет расширить номенклатуру упрочняемых деталей, где механическая обработка после их упрочнения затруднительна или невозможна (например, изогнутые детали типа бандаж).

Для защиты неазотированных поверхностей была разработана и изготовлена оснастка. При ионном азотировании деталей в отличие от печного защита поверхностей, не подлежащих азотированию, является наиболее технологичной. Никелирование и лужение, применяемые для защиты неазотируемых поверхностей при печном азотировании, являются операциями трудоемкими и не всегда обеспечивают необходимое качество защиты. Кроме того, после азотирования часто необходимо удаление этих покрытий химическими или механическими способами.

При ионном азотировании защита неазотируемых поверхностей осуществляется с помощью металлических экранов, которые плотно соприкасаются с поверхностью, не подлежащей азотированию (зазор не более 0,2 мм). Эта поверхность не подвергается воздействию тлеющего заряда и, таким образом, надежно защищается от азотирования. При азотировании деталей многократно применялась защита от азотирования с помощью экранов различных поверхностей, таких как плоскости, внутренние и наружные цилиндрические поверхности, резьбовые поверхности и др. Практика показала надежность и удобство такого способа защиты. Приспособления для этих целей могут использоваться многократно. Поверхности деталей, не подлежащие азотированию, могут быть обработаны окончательно.

Процесс ионного азотирования позволяет:

увеличить ресурс работы азотированных деталей;

обеспечить упрочнение деталей, для которых применение других способов упрочнения затруднительно или невозможно;

сократить трудоемкость изготовления за счет ликвидации операций по нанесению гальванопокрытий;

в ряде случаев отказаться от шлифования после азотирования;

сократить продолжительность цикла азотирования более чем в два раза;

улучшить гигиену труда.

В промышленности в настоящее время применяют три различных вида азотирования: для получения высокой твердости поверхностного слоя, антикоррозионное ионное и «мягкое» азотирование и др.

Для получения высокой твердости деталей из конструкционных сталей процесс ведут при температуре от 500 до 520°С в течение до 90 часов. Степень диссоциации аммиака регулируется его подачей и колеблется в пределах от 15 до 60%. При одноступенчатом режиме азотирования процесс ведут при постоянной температуре (500¸520°С), а затем ее поднимают до 560¸570°С. Это приводит при пониженной температуре к образованию вначале тонкого хорошо насыщенного азотом слоя с мелкодисперсными нитридами, а затем, при повышении температуры, скорость диффузии возрастает и сокращается время получения необходимой толщины азотированного слоя. Двухступенчатый цикл азотирования снижает время процесса насыщения стали азотом в 2¸2,5 раза.

При совершенствовании процесса азотирования должны быть решены следующие важные задачи:

создание регулируемого процесса, обеспечивающего получение заданного газового состава, строения и глубины диффузионного слоя;

интенсификация процесса формирования азотированного слоя.

Разработаны два принципиально новых метода прямого контроля процесса азотирования, один из них позволяет оценивать азотный потенциал атмосферы печи по ее ионному составу (ионные диссоциомеры), а с другой - открывает возможности прямого анализа кинетики формирования диффузионных покрытий в процессе азотирования (токовихревые анализаторы). Азотный потенциал контролируется при помощи ионизационного датчика с обратной связью со смесеприготовительной системой.

Для азотирования должны применяться качественно новые установки с программным управлением технологическим процессом. Интенсификация процесса азотирования может быть достигнута путем повышения температуры насыщения, регулирования активности атмосферы, изменения ее состава, а также применения магнитных полей и различных видов электрических разрядов (искрового, коронного, тлеющего).

При химико-термической обработке глубина насыщенного слоя в некоторых случаях бывает больше требуемой, в других - меньше требуемой, иногда возникает коробление и деформация, растрескивается насыщенный слой и т.п. Характеристика брака химико-термической обработки, основные причины его появления, мероприятия по устранению брака приведены в таблице.

4.2.3 Оборудование

Установка ионного азотирования типа ИОН-30 предназначена для азотирования деталей из сталей и чугунов в плазме тлеющего заряда.

Ионное азотирование обладает рядом существенных преимуществ перед газовым азотированием:

большей скоростью насыщения;

возможностью проведения регулируемых процессов насыщения;

возможностью азотирования нержавеющих сталей без предварительной депассивации;

незначительными деформациями в процессе обработки;

экономичностью и экологической безопасностью.

Ионному азотированию могут подвергаться самые разнообразные детали, а также инструмент.

Для того чтобы охватить более широкий ассортимент обрабатываемых деталей, разработано пять различных модификаций установок одной мощности. Эти модификации отличаются друг от друга размерами и количеством рабочих камер.

Установка ИОН-30 предназначена для азотирования короткомерных деталей и имеет две рабочие камеры.

Технологический процесс азотирования одновременно возможен только в одной из рабочих камер. Во второй камере в это время можно проводить режим охлаждения деталей после азотирования, съем готовых деталей и подготовку новой садки.

Детали, подвергаемые обработке, устанавливаются на катодной плите.

Газовая рампа и источник питания являются унифицированными для всех модификаций установок ИОН-30.

Установка ионного азотирования является сложной системой, от надежности работы различных узлов которого зависит эффективность ее использования. Для нормальной работы установки необходимо выполнить ряд условий, главными из которых являются:

Соблюдение требований вакуумной гигиены в помещении, где установлена установка;

Обслуживание установки постоянной, специально обученной бригадой;

Профилактический осмотр вакуумного и электронного оборудования не реже одного раза в квартал.

Ионное азотирование - современный высокоэффективный процесс, позволяющий улучшить качество азотируемых изделий, увеличить производительность труда, резко повысить ритмичность производства, а также поднять на новую качественную ступень процессы химико-термической обработки в машиностроении.

В комплект установки ионного азотирования входит:

Механическая часть:

рабочая камера, комплект 1-2

газовый шкаф, комплект 1

газовая рампа, комплект 1

Система электропитания и автоматика

силовой шкаф, комплект 1

шкаф управления, комплект 1

ЗИП, комплект 1

Устройство и работа установки

Установка содержит две рабочие камеры 1 и 2, систему вакуумирования 3, систему очистки и дозирования рабочего газа 4, газовую рампу 5 и систему электропитания 6. Детали, предназначенные для азотирования, после необходимой подготовки загружаются в одну из рабочих камер 1 или 2. Технологический процесс азотирования одновременно возможен только в одной рабочих камер. Во второй камере в это время можно проводить режим охлаждения деталей после азотирования, съем готовых деталей и подготовку новой посадки.

В предварительно разряженную до давления 3×10-2 тор. камеру при постоянно работающем насосе подается рабочий газ. На обрабатываемую деталь, играющую роль катода, подается напряжение в 300-800 вольт. Процесс осуществляется при давлении 1-7 тор. Рабочим газом может служить азот или смесь газов (азот + водород). Образование азотированного слоя происходит по всей поверхности обрабатываемой детали.

Дополнительного внешнего нагрева не требуется, так как нагрев происходит за счет бомбардировки деталей ионами рабочего газа. Контроль за температурой деталей осуществляется с помощью термопары. Ионное азотирование деталей происходит при температуре 480-600°С. Затраты во времени на обработку детали в тлеющем разряде значительно ниже (18-30 часов в сравнении с 48-90 часами, необходимыми при газовом азотировании).

Расход энергии также небольшой. Источник питания одновременно служит плазменным инициатором рабочего газа и подогревателем деталей. Энергия расходуется непосредственно на разогрев деталей и в период обработки пропорциональна суммарной поверхности деталей. Ввиду того, что весь процесс проводится в вакууме, расход газа незначителен (20-50 н.л./час).

Весь технологический процесс ионного азотирования состоит из следующих основных этапов:

вакуумирование рабочей поверхности;

катодное распыление и выход на заданную температуру;

выдержка на заданной температуре;

охлаждение деталей.

От глубины предварительного вакуума существенно зависит качество азотированного слоя, поэтому необходимо уделять особое внимание степени герметизации рабочей камеры и соблюдать требования вакуумной гигиены при подготовке садки.

Катодное распыление начинают при давлениях 0,1тор. и напряжениях 300-350 в. Режим катодного распыления необходим для очистки поверхности деталей от загрязнения и для пассивации поверхностей обрабатываемых деталей. По мере очистки поверхности деталей от загрязнений плавно поднимают давление (Рv) в камере и ток тлеющего заряда. Одновременно с очисткой происходит разогрев деталей. Катодное распыление считается законченным с момента выхода деталей на заданную температуру.

Рабочий режим начинается с момента выхода давления газа в камере и температуры деталей на заданные значения. Время выдержки на заданной температуре зависит от марки стали обрабатываемых деталей и требуемой глубины азотируемого слоя.

Охлаждение деталей можно проводить двумя способами:

в вакууме;

в атмосфере азота.

В первом случае охлаждение идет более медленно, т.к. вакуум является хорошим теплоизолятором.

Второй способ менее экономичен с точки зрения затрат азота, но более предпочтителен при азотировании ответственных деталей, т.к. полностью исключается вероятность окисления в режиме охлаждения даже при наличии натекания.

Для азотирования применяется смесь газов, состоящая из 90-95% азота и 5-10% водорода. Рабочая смесь совершенно взрывобезопасна: необходимо лишь принимать меры по рациональному размещению газовой рампы. Желательно рампу размещать за пределами помещения установки электрооборудования и рабочей камеры, в противном случае, над рампой необходимо устанавливать местную вытяжную систему. Для очистки от примесей, влаги и кислорода рабочая смесь пропускается последовательно через капсулу, наполненную синтетическим цеолитом и капсулу с раскаленной медной стружкой.

Для обеспечения автономной работы рабочих камер и обеспечения мер безопасности при обслуживании неработающей камеры, предусмотрены специальные распределители подачи газа 7, откачки вакуума 8 и подачи энергии.

Система электропитания и автоматики обеспечивает автоматический выход на требуемое значение температуры обрабатываемых деталей и заданное значение давления рабочей смеси в камере.

Загрузку деталей в рабочую камеру, заправку баллона-смесителя, регенерацию капсулы с цеолитом, а также подготовительные операции по включению установки в работу и выключению установки производят в ручную.

4.3 Упрочнение металлических материалов методом поверхностного пластического деформирования (ППД)

.3.1 Общие положения

Надежность и ресурс деталей машин в основном определяется качественным состоянием их поверхностного слоя, являющимся носителем конструктивных, технологических и эксплуатационных концентраторов напряжений, величина и характер которых представляют усталостное разрушение конструкции в эксплуатации.

Наиболее существенным с точки зрения эксплуатации свойствами поверхностного слоя деталей являются шероховатость, твердость и уровень остаточных напряжений.

Требуемые параметры качества поверхности и практически все важнейшие эксплуатационные свойства деталей машин могут быть обеспечены процессами упрочнения их методом поверхностного пластического деформирования, максимально проявляющими потенциальные возможности материала. Упрочнение методом ППД приводит к повышению поверхностной твердости, образованию в поверхностных слоях деталей остаточных напряжений сжатия и благоприятному изменению микрогеометрии поверхностей. В результате в зависимости от функционального назначения и условий эксплуатации деталей повышается их усталостная и контактная прочность, износостойкость и сопротивление коррозии, гидроплотности и маслоудерживающей способности.

Эффективность способов упрочнения методом ППД в сочетании с высокой производительностью и экономичностью делает их перспективными во всех отраслях промышленности.

Анализ использования метода ППД для упрочнения деталей машин в отечественной и зарубежной практике показал многообразие применяемых способов упрочнения, подтверждает особую эффективность использования метода ППД для упрочнения деталей с концентраторами напряжений, подвергающихся знакопеременным, циклическим нагрузкам и дает возможность определить основные направления развития и расширения области внедрения метода ППД в отечественной промышленности, включающие:

Создание научно-общественной теоретической базы для углубленного исследования механизма ППД и его влияния на напряженно-деформированное состояние материала детали в процессе деформирования, оптимизации режимов упрочнения, повышения производительности и эффективности процессов упрочнения и создания для разработки системы управления качеством и режимом изделий машиностроения.

Разработка новых способов упрочнения деталей методом ППД, в том числе комбинированных, предусматривающих сочетание упрочняющего воздействия метода ППД с эффектами лазера, электронного луча, химико-термической обработки, электрохимического нанесения композиционных покрытий и др.

Создание новых конструкций высокоэффективного деформирующего инструмента и устройств (раскатка, дорны), где величина усилия деформирования может регулироваться, вместо жестких инструментов, где величина и стабильность усилий деформирования обеспечивается за счет жестких требований к точности обработки упрочняемых поверхностей.

Создание гаммы специализированного упрочняющего оборудования, в том числе и ЧПУ, встраиваемого в автоматизированные, роботизированные технологические комплексы упрочнения деталей узлов в условиях серийного и массового производства, а также средств неразрушающего контроля напряженно-деформированного состояния детали до и после упрочнения, встраиваемых в упрочняющее оборудование.

4.3.2 Классификация и особенности применения методов ППД

В соответствии с ГОСТ 18296-72 методы ППД подразделяют на статические и ударные. При статических методах обработки инструмент, рабочие тела или среда воздействуют на обрабатываемую поверхность с определенной постоянной силой Р, происходит плавное перемещение очагов (очага) воздействия, которые последовательно проходят всю поверхность, подлежащую обработке. При этом инерционные силы не оказывают существенного влияния на ППД. К таким методам относятся различные виды выглаживания и накатывания, а также метод однократного обжатия обрабатываемой поверхности без перемещения очагов воздействия.

При ударных методах инструмент, рабочие тела или среда многократно воздействуют на всю обрабатываемую поверхность или на ее часть, при этом сила воздействия Р в каждом цикле изменяется от нуля или от некоторого значения Р1 до максимума, а в случае локального ударного воздействия очаг деформирования может (как и в статических методах) последовательно и равномерно проходить всю обрабатываемую поверхность.

Инструментом для ППД могут быть ролик, шар с принудительной осью вращения или без нее, гладилка, дорн с нережущими кольцами, боек-чекан и т.д. В качестве рабочих тел при ППД могут быть использованы дробь, шарики из стали, стекла, пластмассы и др. Рабочей средой при ППД могут быть жидкость, газ и их суспензии частицами абразива.

Основные методы поверхностного пластического деформирования

В состав общих требований (ГОСТ 20299-74) входят восемь групп: требования к обрабатываемым изделиям, технологическим процессам обработки ППД, оборудованию, оснастке, аппаратуре и инструменту, основным технологическим материалам, обрабатываемым изделиям, контролю обработки, технологическим процессам следующей за ППД обработки и сборки изделий, технике безопасности и производственной санитарии при обработке ППД.

4.3.3 Дробеструйная обработка микрошариками

В настоящее время все более широкое применение на практике находит дробеструйная обработка (ДО) Это вызвано ее более высокими энергетическими возможностями, производительностью, а также универсальностью, т.е. способностью обрабатывать детали практически любой формы и жесткости, что невозможно достигнуть другими способами ППД.

При ДО в результате ударного взаимодействия рабочих (упрочняющих) тел с обрабатываемыми деталями на их поверхности образуется тонкий деформированный слой, параметры качества которого (знак, величина и глубина залегания остаточных напряжений, степень и глубина деформированного состояния (наклеп) и др.) отличны от параметров основного слоя материала детали. Тем самым оказывается положительное воздействие на выносливость деталей при усталостном нагружении.

В зависимости от технологического оборудования, различают пневмодробеструйное (ПДУ), гидродробеструйное (ГДУ), пневмогидродробеструйное (ПГДУ) и дробеметное упрочнение (ДУ). Рабочими органами оборудования являются сопла или дробеметные колеса.

Энергоносителями рабочих тел является сжатый воздух или дробеметное колесо.

При ПГДУ сжатый воздух разгоняет через сопло рабочие тела вместе с жидкостью (вода с антикоррозионными присадками).

При ГДУ жидкости совместно с рабочими телами подается с помощью насосов.

ДО позволяет осуществить регулирование режимов в широком диапазоне энергетических уровней.

В качестве упрочняющих тел используются металлические и стеклянные шарики диаметром от 20 до 300 мкм. Как показатель применения ДО можно привести данные одного их предприятий, где номенклатура упрочняемых деталей только по одному из изделий включает в себя 56 типов в количестве 307 наименований. Из них 44 типа в количестве 274 наименований, т.е. более 80% от всех упрочняемых деталей, обрабатываются дробеструйным способом.

Обработка микрошариками производится для упрочнения наиболее нагруженных в эксплуатации деталей небольших размеров, сложной конфигурации или малой жесткости (лопатки, диски и т.д.). Глубина наклепа при обдувке микрошариками не превышает 0,2 мм. Дробеструйная обработка сохраняет исходную шероховатость Ñ7¸Ñ8. Режим обработки определяется диаметром и скоростью дроби, расходом ее за единицу времени и продолжительностью обдува.

Совмещенное поверхностное пластическое деформирование (гидравлическое и пневматическое деформирование дробью). Упрочнение поверхностного слоя гидравлическим и пневматическим деформированием производят стальными шариками с эмульсией или трансформаторным маслом на специальных насосных установках.

Удары дробинок воспринимаются поверхностным слоем детали через жидкостную пленку, способствующую более равномерному распределению ударной нагрузки на поверхность, чем при обработке сухими шариками. Одновременно жидкость оказывает охлаждающее действие, снижая температуру поверхностного слоя обрабатываемой заготовки, которая при упрочнении сухими шариками достигает 600°С.

В гидродробеструйной установке камера 2, в которой находятся обрабатываемые лопатки 3, разделена на две полости сеткой, пропускающей из верхней полости в нижнюю полость жидкость и изношенные стальные шарики, свободно сливаемые через окно в бак 5. Отфильтрованная от изношенных шариков жидкость насосом 1 подается к соплам 4.

4.3.3.1 Укрупненная структурная схема дробеструйной обработки

Для рассмотрения процесса ДО целесообразно использовать структурную схему (рис.). Она позволяет связать в единую систему факторы, влияющие на параметры технологических режимов, с параметрами оптимизации.

Свойства обрабатываемых материалов во многом определяют характер соударения пр обработке и учет их при назначении режимов необходим. К таким материалам относятся титановые сплавы (лопатки и диски компрессора, корпусные и кольцевые детали и др.) стали с особыми свойствами (лопатки и диски компрессора, валы, зубчатые колеса, шестерни и др.), жаропрочные сплавы (лопатки и диски турбины, массивные сварные соединения и др.). Исходя из специфики ДО учтены, в основном явления, определяющие характер соударения двух тел: модуль продольной упругости Е, предел прочности при расширении sВ, условный предел текучести s0,2, а также относительное сужение y и удлинение d.

Рабочие тела, применяемые при ДО отличаются диаметром (d), плотностью (r) и твердостью (HRCЭ). Основные параметры наиболее качественных рабочих тел показаны в таблице 5.3.3.1.

Кроме них используются подшипниковые шарики d=1000¸3000 мкм, микрошарики из порошков инструментальных сталей d=50¸315 мкм и др.

Параметры рабочих тел выбираются из условия их вписываемости в конструкторские концентраторы напряжений детали, ее жесткости и тонкостенности, а также требований к ожидаемым значениям параметрам качества и прочностным характеристикам.

Надо понимать, что за рубежом наиболее широкое применение нашли стеклянные шарики, при обработке которыми исключается перенос инородных частиц в поверхность обрабатываемых деталей из-за их химической нейтральности. Оптимальная форма и гладкость поверхности обеспечивает сохранение низкой шероховатости. В двигателестроении стеклянные шарики используют для деталей имеющих низкую шероховатость, а также изготовленных из цветных сплавов.

При ДО важное значение имеют характеристики технологического специализированного оборудования.

Основные параметры рабочих тел Таблица 5.3.3.1

Дробеструйная обработка металлическими и стеклянными дробинками обеспечивает наибольший прирост остаточных напряжений сжатия (sОСТ= -280¸390МПа) при увеличении глубины залегания до 80-90 мкм.

Важной особенностью применения микрошариков (дробинок с d £ 300 мкм) при дробеструйной обработке является смещение максимальной величины остаточных напряжений на поверхность детали. В первую очередь именно этим следует объяснить более высокий прирост выносливости деталей после их применения по сравнению с использованием дробинок более крупных фракций.

4.3.3.2 Технологические системы упрочнения с использованием ЭВМ

За рубежом широкое применение получают технологические системы упрочнение с использованием ЭВМ. Эти системы особенно актуальны для обработки сложнофасонных деталей, где отдельным элементам присущ свой режим, отличный от остальных.

На рис. приведена структурная схема управления качеством ДО с применением ЭВМ. Из нее следует, что расчетные значения наиболее рациональных режимов упрочнения определяются с учетом параметров как специфические особенности деталей, требования к параметрам качества поверхностного слоя, технологические факторы обработки.

Расчетные значения режимов закладываются в систему на базе средств ЭВМ, осуществляющих как управление процессом, так и контроль его требуемых значений.

Заданные режимы обработки контролируются датчиками путем сравнения с предварительно установленными значениями. При отклонении от этих значений следует автоматическая остановка процесса, необходимая корректировка и продолжение обработки с той точки, где была допущена остановка. Таким образом, система обеспечивает стабильность требуемых параметров, что особенно важно для деталей с регламентированными параметрами качества и соответствует заданным критериям надежности.

Схема математического обеспечения процесса ДО показана на рис…Компьютер упрочняющей установки осуществляет управление и контроль над давлением воздуха в соплах (датчики давления), плотностью потока дроби, вылетающей из сопел (датчики контроля потока дроби), перемещениями детали и сопла (программируемые электродвигатели постоянного тока), временем обработки (реле времени).

Перед обработкой из основного компьютера в компьютер установки направляются все необходимые данные для проведения упрочнения (номер детали, номер программы процесса и т.д.)

Затем производится необходимая наладка и устанавливаются приспособления. После проведения обработки ее данные поступают в основной компьютер, где она фиксируется как выполненная операция.

В такой технологической системе с незначительной переналадкой можно обрабатывать широкую номенклатуру деталей.

Упрощенный процесс применения автоматизированного процесса ДО поверхности диска представлен на рисунке, где три различных элемента конструкции обрабатываются на разных режимах, обеспечивающих оптимальное состояние поверхности.

Структурная схема управления качеством с применением ЭВМ

Схема математического обеспечения процесса дробеструйной обработки с помощью ЭВМ

4.3.3.3 Схема процесса, характер формирования очага деформирования

Методы обработки подразделяют на две группы - обработка сухой дробью и обработка дробью с жидкостью. При дробеструйном (ДУ), пневмодинамическом (ПДУ) и дробеметном (ДМУ) упрочнении детали обрабатывают сухой дробью, эти методы называют дробеударными. Существуют следующие разновидности гидродробе-ударной обработки, обеспечивающей упрочнение с СОЖ: Гидродробеструйная (ГДУ), гидродробеструйная эжекторная (ГДЭУ), гидродробеметная (ГДМУ), упрочнение микрошариками (УМШ).

Каждый метод характеризуют несколько параметров:

способ сообщения дроби кинематической энергии;

скорость полета дроби (1-100 м/с);

характеристика дроби: ее материал (чугун, сталь, стекло или материал детали); метод изготовления (литая, рубленая из проволоки, шарики для подшипников); диаметр (0,025-5 мм); допуски диаметра от 0,4 (дробь диаметром 0,5-0,8 мм) до 0,02 мм (шарики для подшипников); форма - неправильная (литая дробь) и правильная (шарики);

кинетическая энергия летящей дроби, зависящая от скорости полета и диаметра дроби;

количество дроби, одновременно участвующей наклепе поверхности детали (например, 6 кг/мин - на гравитационной установке, 1400 кг/мин - на гидродробеструйных установках);

время воздействия рабочего тела на обрабатываемую поверхность.

При обработке дробью шероховатость обрабатываемой поверхности повышается незначительно, а при некоторых методах и режимах обработки возможно и уменьшение шероховатости.

Очаг деформирования представляет собой круговой отпечаток диаметром d и глубиной h с глубиной деформированной зоны hЗ. Этот отпечаток при обработке сухой дробью отличается от отпечатка при обработке дробью с применением СОЖ.

При сухой дробеструйной обработке, когда удары дроби следуют один за другим с большой частотой (частота ударов на поверхности диаметром 60 мм составляет примерно 103-104 ударов/с), первоначальные удары очищают поверхность не только от окалины или окисной пленки, но и от инородных молекулярных частиц, делая ее ювенильной. Этот процесс протекает в условиях сухого трения.

Гидродробеструйное упрочнение протекает в условиях гидродинамического трения, так как в зоне удара всегда имеется достаточная прослойка смазочного материала, и поверхность дробинок покрыта СОЖ.

При обработке обоих видов в основном имеет место прямой удар, когда шар внедряется в тело, а не скользит по нему. Возникающее трение является состоянием удара.

Упрочнение сухой дробью в основном существуют на дробеструйных и дреметных установках. В дробеструйных установках дроби сообщается кинетическая энергия в дробеструйном сопле сжатым воздухом, подаваемым через воздушную форсунку, в дробеметных установках - в центробежном дробеметном колесе.

Основные преимущества упрочнения сухой дробью следующие: простота конструкции установки, так как используется имеющаяся на предприятиях централизованная система подачи сжатого воздуха; концентрированный поток воздуха, позволяющий обрабатывать труднодоступные участки деталей; возможность получения высоких скоростей полета дроби; простота обращения с рабочим телом (дробью); возможность сепарации дроби потоком воздуха; отсутствие необходимости промывания детали после упрочнения.

Недостатки упрочнения сухой дробью следующие:

жесткий удар дробинок о деталь при значительных скоростях полета вызывает высокие локальные температуры; например, при упрочнении улучшенной стали мгновенная температура достигает 650°С и более;

остаточные напряжения сжатия имеют максимальное значение на некотором расстоянии от поверхности;

при дробеструйном упрочнении шлифованных поверхностей цементированных и закаленных деталей параметр шероховатости повышается в среднем на 1-2 мкм; при упрочнении деталей из улучшенной стали, из титановых и алюминиевых сплавов параметр шероховатости повышается на 2,5-5 мкм;

во многих случаях происходит активный перенос частиц дроби на поверхность деталей, что снижает их коррозионную стойкость, особенно деталей, изготовленных из материала на нержавеющей основе;

режим упрочнения характеризуется значительной нестабильностью, что объясняется следующими причинами: большим допуском на диаметр дроби (например, для диаметра 0,5-0,8 мм или 0,8-1 мм допуск составляет около 1/3 диаметра дробинки); ускоренным изнашиванием дроби вследствие сухого трения, которое приводит к заметному уменьшению диаметра дроби уже в течение одной смены непрерывной работы установки (для чугунной дроби - в большей степени, для стальной - в меньшей), что снижает стабильность процесса, так как энергия удара пропорциональна диаметру дроби третьей степени; значительным допуском на давление воздуха в пневмодробеструйных установках, который составляет не менее ±10% номинального значения (в дробеметных установках на изменение режима влияет износ элементов ротора).

Кроме того, установки для ДУ имеют ряд эксплуатационных недостатков, связанных с быстрым изнашиванием сопел и других элементов, нестабильностью работы вспомогательных устройств (элеватор, сепараторы, осушители и др.).

Основные преимущества гидродробеструйного упрочнения по сравнению с дробеструйным следующие:

остаточные напряжения только сжимающие и, как правило, имеющие максимальные значения на некоторой глубине;

сравнительно низкий параметр шероховатости (RA=1,25¸0,16 мкм) поверхности сохраняется, высокий (RA=10¸1,5 мкм) может снижаться до RA=2,5¸1,25 мм;

микрогеометрия улучшается, так как радиусы закругления впадин (лунок от шаров) и выступов, определяющих опорную поверхность, увеличиваются;

исключен перенос на обрабатываемую поверхность материала рабочих тел в связи со снижением температуры в зоне контакта и изоляцией поверхностного слоя детали жидкостной пленкой.

4.3.3.4 Выбор параметров обработки дробью

Основные параметры процесса обработки дробью следующие:

рабочая среда (материал, характер и размеры рабочих тел, состав жидкости);

расстояние от среза сопла до упрочняемой поверхности, угол и диаметр факела дроби;

скорость движения рабочей среды (может быть выражена через давление жидкости или воздуха, через частоту вращения дробеметного аппарата и т.д.);

продолжительность процесса (может быть выражена через скорость перемещения детали или сопла).

Состав рабочей среды выбирают в соответствии с назначенным методом обработки и так, чтобы исключить шаржирование обрабатываемой поверхности частицами разнородного металла.

Расстояние от среза сопла до обрабатываемой поверхности регулируют в пределах возможности выбранной установки, в зависимости от материала обрабатываемой детали и заданной степени упрочнения .

С уменьшением этого расстояния возникает интенсивность упрочнения, но одновременно уменьшается диаметр факела дроби, а, следовательно, и площадь обрабатываемой поверхности, возрастает время обработки.

4.3.3.5 Контроль режимов упрочнения

Качество упрочнения обеспечивается стабильностью режимов в процессе упрочнения

Стабильность режимов контролируется:

стрелой прогиба контрольных пластин (образцов-свидетелей);

визуальным контролем по сплошности покрытия поверхности отпечатками

Контрольные пластины размерами , изготовлены из стали У8А с твердостью HRC=45¸50. Шероховатость поверхности по высоте микронеровностей должна быть в пределах 1,25. На контрольные пластины электрографом наносится порядковый номер и шифр образца.

После обработки микрошариками величина прогиба пластин ¦ = 0,3± 0,05

Сплошность покрытия поверхности отпечатками проверяется через лупу 4-х и 10-ти кратного увеличения и должна соответствовать эталону на упрочняемую поверхность.

В случае, если прогиб контрольных пластин меньше нижнего предела или сплошность покрытия поверхности не соответствует эталону, необходимо установить причину, устранить неисправность и повторно упрочнить данную деталь (партию деталей)

При необходимости допускается местная зачистка упрочненной поверхности с обязательным последующим повторным упрочнением.

Метрологическое обеспечение

Контроль прогиба пластин осуществляется в специальном приспособлении индикатором часового типа с ценой деления 0,001 мм.

Сплошность покрытия упрочненной поверхности отпечатками от микрошариков проверяется визуально через лупу4-х - 10-ти кратного увеличения путем сравнения с эталоном.

Контроль размеров деталей после упрочнения микрошариками производить универсальным и специальным инструментом, указанным в технологии на изготовление детали.

4.4 Повышение эксплуатационных свойств деталей, обрабатываемых ППД

.4.1 Сопротивление усталости

Усталость (ГОСТ 23207-78) подразделяют на многоцикловую и малоцикловую. При малоцикловой усталости усталостные разрушения происходят в результате приложения малого числа циклов (порядка сотен тысяч) при повышенных напряжениях. При многоцикловой усталости материала усталостное разрушение протекает в основном при упругом деформировании, в случае малоцикловой усталости - при упругопластическом деформировании.

Путем ППД повышают сопротивление обычной и малоцикловой усталости при воздействии как низких, так и высоких (до t=800°С) температур и при различных схемах нагружения (изгиб, растяжение-сжатие, кручение и т.д.). Это обусловлено следующими основными факторами:

созданием остаточных сжимающих напряжений в поверхностном слое;

получением благоприятных по форме микронеровностей и минимального (для большинства методов) параметра шероховатости поверхности;

положительными микроструктурными изменениями в поверхностном слое металла;

созданием направленной текстуры металла в поверхностном слое.

Особенно благоприятно применение ППД для деталей, имеющих концентраторы напряжений. Концентраторы напряжений подразделяют на два вида:

конструкторские (галтели, кольцевые и шпоночные канавки, поперечные отверстия, выточки и т.д.);

технологические (риски, вырывы металла, поры или включения в металле, микро- и макротрещины, образованные в заготовках или при их механической обработке, прижоги вследствие шлифования, резкий переход в зоне раздела различных структур и др.)

Пределы выносливости деталей с концентраторами напряжений повышаются вследствие ППД в 2 раза и более. Обработка ППД может полностью нейтрализовать неблагоприятное воздействие концентраторов напряжения.

Благоприятные остаточные напряжения, возникающие при обработке ППД конструкционных сталей, достигают сотен мегапаскаелей, а глубина их распространения соответствует глубине пластически напряженного слоя. С увеличением глубины залегания остаточных напряжений и повышением их уровня сопротивление усталости, как правило, возрастает.

Методы ППД применяют для повышения сопротивления усталости деталей любых размеров. При этом эффект упрочнения с увеличением поперечных размеров деталей не только не снижается, но в ряде случаев повышается. Для деталей цилиндрической формы рациональная глубина наклепанного слоя 0,0D<h<0,05D, где D - диаметр поперечного сечения детали.

После обработки ППД не происходит снижения сопротивления усталости за счет концентрации напряжений в зонах деталей, переходных от наклепанного слоя к основной массе детали. А, например, при поверхностной закалке зона, где кончается закаленный слой, является концентратором напряжений, что снижает долговечность деталей.

Для повышения усталостной прочности валов с галтельными переходами обычно назначают большие радиусы r галтелей, но если галтели упрочнять методами ППД, в этом случае в этом нет необходимости.

Упрочненные ППД ступенчатые валы с малыми радиусами галтельных переходов(r/D =0,01¸0,03) при испытаниях на усталость при переменном симметричном изгибе имеют пределы выносливости такого же порядка, что и гладкие валы, а в некоторых случаях изломы происходят не в галтелях, а в гладкой части.

Обработка ППД не только замедляет рост усталостных трещин, но при определенных условиях приводит к полной остановке их распространения при сохраняющихся режимах циклического нагружения.

Применение методов ППД эффективно для упрочнения: торсионных валов с мелкими треугольными шлицами (обрабатываются стебли валов, галтели и впадины шлицев); зубчатых колес; коленчатых валов двигателей всех типов и размеров, в том числе крупногабаритных из чугуна с шаровидным графитом; шатунов; силовых шпилек и болтов; пружин; рессор и т.д. Особенно эффективно использование ППД деталей авиационной техники, для которых характерно циклическое нагружение (лопатки ГТД, лопасти вертолетов, силовые детали крыльев и фюзеляжа и т.д.).

.4.2 Износостойкость

Различают три вида изнашивания: механическое, молекулярное и коррозионно-механическое. Наиболее распространено механическое изнашивание. Разновидностями его являются абразивное, гидроабразивное, эрозионное, усталостное и кавитационное изнашивание.

Большое влияние на износостойкость при изнашивании всех видов оказывает микрогеометрия поверхности. Причем если, например, сопротивление усталости повышается с уменьшением шероховатости, то для деталей, работающих на износ, существует оптимальный параметр шероховатости, при котором износостойкость наибольшая.

Большинство методов ППД не только снижает параметр шероховатости в 5-10 раз, но и создает благоприятную для износостойкости форму микронеровностей, которая ближе, чем при других методах окончательной обработки, к форме микронеровностей, образующихся после приработки. Это повышает износостойкость и сокращает период приработки.

Большое влияние на износостойкость оказывают твердость поверхности, микроструктура, состав материала. Износостойкость сталей прямо пропорциональна их стирающей способности, которая связана непосредственно с твердостью.

Обработка ППД увеличивает поверхностную твердость до 40-70 %, в результате чего практически во всех случаях повышается износостойкость.

Структуры с высокой прочностью, обладающие способностью в незначительной степени подвергаться местному пластическому деформированию, и большей теплостойкостью, являются более износостойкими. Увеличение количества карбидообразующих легирующих элементов в сталях и чугунах, а также повышение дисперсионности их структуры способствует повышению их износостойкости. Аналогичная структура поверхности образуется после обработки ее ППД, что способствует повышению износостойкости.

4.4.3 Сопротивление схватыванию металла

Из трех состояний смазываемой поверхности (трение без смазочного материала, граничная и гидродинамическая смазка) для тяжело нагруженных пар трения наиболее характерно граничное состояние смазки, при которой толщина масляной пленки оценивается величиной от десятых долей микрона до нескольких микрон. При изнашивании или нарушении масляной пленки одновременно происходит обратный процесс - ее регенерация. Для этого необходим некоторый запас смазочного материала, который может находиться во впадинах микрорельефа или в специальных углублениях на поверхности трения.

Схватывание металла наблюдается в прессовых, болтовых, заклепочных и других относительно неподвижных соединениях. Материал деталей - термообработанные стали 40ХНМА и 38МЮА. Повышение противозадирной стойкости достигается путем увеличения микротвердости и предела прочности (прочностных характеристик) поверхностного слоя. Поскольку после обработки ППД увеличивается поверхностная прочность материалов, эффективность методов ППД хорошо видна на примере алмазного выглаживания деталей из широко применяемых конструкционных сталей 40ХНМА, 18Х2Н4ВА, 30ХГСНА, ШХ15, имеющих твердость от HRС 40 до HRС 65 по сравнению с полированием. Увеличение амплитуды колебаний при испытаниях образцов приводит к изменению степени влияния силы выглаживания на эффективность повышения противозадирной стойкости: если при небольших амплитудах (А£0,25 мм) максимальная стойкость достигается при силе выглаживания 200 Н, то при А³0,75 мм оптимальная сила выглаживания 350-400 Н.

4.4.4 Коррозионная стойкость

Коррозионные повреждения деталей машин происходит в результате химического или электромеханического воздействия окружающей среды. Их подразделяют на атмосферную, газовую коррозию и коррозию в воде или электролитах. При коррозии металл превращается в окислы.

При атмосферной коррозии частицы влаги на поверхностях образуют микрогальванические элементы, что приводит к возникновению окислов железа в виде пленок и точечных повреждений поверхностей.

После обработки ППД, как правило, происходит сглаживание неровностей исходной поверхности образование микрорельефа с впадинами, радиус которых значительно больше, чем у поверхностей, обработанных любым методом резания, что определяет меньшую концентрацию в них продуктов, вызывающих коррозию. В результате коррозионная стойкость повышается. С другой стороны, неоднородный характер пластического деформирования приводит к возникновению разности потенциалов между неодинаково деформированными кристаллами, т.е. к образованию множества гальванических пар, являющихся причиной коррозии, и коррозионная стойкость снижается. Именно это во многих случаях заставляет воздержаться от ППД при правильном ведении процесса можно не только избежать снижения коррозионной стойкости, но даже заметно ее повысить.

Повышение коррозионной стойкости обеспечивает статические методы, создающие небольшие глубины упрочнения, сильно снижают шероховатость поверхности, при которой микронеровности имеют сглаженный характер без глубоких впадин (алмазное выглаживание, обкатывание шариковым инструментом и в меньшей степени упругое накатывание роликом). Могут быть эффективны некоторые ударные методы (вибрационно-ударная, ультразвуковая, центробежная, шариковая обработка), после применения которых получается поверхностный слой, аналогичный указанному. Для повышения коррозионной стойкости обработку необходимо проводить на «мягких» режимах, не допуская превышения оптимальной степени деформирования. Положительный эффект от сглаживания и образования микрорельефа поверхности с пологими впадинами большого радиуса сказывается сильнее, чем отрицательный от деформирования. Увеличение силы обкатывания и виброобкатывания, даже в том случае, если шероховатость поверхности несколько уменьшается, приводит к резкому снижению коррозионной стойкости.

Сопротивление коррозионной усталости деталей, обработанных методами ППД, во много раз больше, чем коррозионная стойкость, так как при коррозионной усталости решающим фактором являются остаточные сжимающие напряжения. Поэтому упрочнения деталей любым методом ППД резко увеличивает сопротивление коррозионной усталости. Кроме того, оно увеличивается также вследствие «закатывания», т.е. устранения мелких концентраторов при ППД.

4.4.5 Сопротивление контактной усталости

Повышению контактно-усталостной выносливости способствуют следующие параметры поверхностного слоя: сглаженная форма микронеровностей; большая твердость; мелкодисперсная структура и сжимающие остаточные напряжения. Такие параметры поверхности достигаются при обработке ППД.

Детали, работающие в условиях контактного нагружения, изготавливают из высокопрочных материалов, они проходят обычно химико-термическую обработку до получения HRС 55-62. Поэтому упрочнение их накатыванием шариком и роликовым инструментом, а также с помощью некоторых других методов ППД (поверхностное дорнование, виброударная обработка), как правило, неэффективно. Целесообразнее в данном случае обработка дробью (микрошариками) и алмазное выглаживание. Обработкой дробью упрочняют зубчатые колеса и другие детали сложной конфигурации, а детали простой и правильной геометрической формы обрабатывают алмазным выглаживанием.

4.5 Комплексное упрочнение вала

Целью комплексного упрочнения (поверхностное деформирование микрошариками с последующим ионным азотированием) является повышение, наряду с характеристиками износостойкости и контактной стойкости, характеристик выносливости детали.

Проведение дробеструйной обработки микрошариками наводит в поверхностном слое остаточные напряжения сжатия sост = 650¸750 МПа при глубине залегания hост = 100¸120 мкм. Степень наклепа составляет 20¸25%. Исходная шероховатость (Rа = 0,6) сохраняется.

Однако, повышая выносливость, дробеструйная обработка не позволяет получить твердость достаточно эффективную для повышения сопротивления износу в процессе эксплуатации детали. Это достигается ионным азотированием, обеспечивающим твердость поверхности, равную 650¸800 HV.

Дробеструйная обработка создает специфический и стабильный микрорельеф, существенно улучшая сцепляемость основы с покрытием, и, увеличивая тем самым, срок его службы. Кроме того, даже после проведения азотирования (Т=500°С) в граничном слое сохраняются остаточные напряжения сжатия sост = 6180¸250 МПа и наклепом 10¸15%, что противодействует развитию подслойных микротрещин, повышая усталостные характеристики детали.

5. Определение основных экономических показателей

.1 Расчет ожидаемого экономического эффекта

Рассчитаем экономический эффект производства детали «вал компрессора низкого давления» по двум вариантам. По каждому из сравниваемых вариантов изготовления детали определяются затраты, результаты и экономический эффект. Причем первый вариант уже внедрен в производство. Лучшим признается тот вариант, у которого величина экономического эффекта наибольшая, либо при условии равенства эффекта - затраты на его достижение минимальны.

-й вариант - деталь после изготовления упрочняется методом ионного азотирования

-1 вариант - деталь после изготовления упрочняется сначала методом ППД (дробеструйное упрочнение микрошариками), а затем ионным азотированием.

Ожидаемый экономический эффект рассчитывается по формуле:

где РГ - стоимостная оценка результатов в расчетном году;

ЗГ - стоимостная оценка затрат в расчетом году.

Стоимостная оценка результатов за расчетный год производится по формуле:

где NГ - годовая программа выпуска изделий;

Ц - цена одного изделия

Цена единицы может определяться по формуле:

где С - себестоимость единицы продукции;

П - нормативная прибыль.

Стоимостная оценка затрат за расчетный период при производстве изделий производится по формуле:

где ЗГ - приведенные годовые затраты на годовую программу;

К - единовременные затраты при производстве;

ЕН - норматив эффективности капитальных вложений (ЕН = 0,2) (норматив приведения равновременных затрат и результатов).

В составе единовременных затрат учитываются капитальные вложения, а также затраты на проведение научно-исследовательских работ, на конструкторскую и технологическую подготовку производства, на освоение производства, технологическую оснастку, инструмент, приборы и другие предпроизводственные затраты.

Методика определения сравнительной эффективности капитальных вложений основана на сравнении приведенных затрат по вариантам. Экономически целесообразным вариантом считается тот, который обеспечивает минимум приведенных затрат.

где, Сi - себестоимость продукции по вариантам;

Кi - капитальные вложения по вариантам.

При этом годовой экономический эффект от реализации лучшего варианта определяется по формуле:

где З1, З2 - приведенные затраты по вариантам;

С1, С2 - себестоимость продукции по вариантам;

К1, К2 - капитальные вложения по вариантам.

Расчетный коэффициент эффективности капитальных вложений и расчетный срок окупаемости капитальных вложений определяется по формулам:

Нормативный срок окупаемости капитальных вложений:

Капитальные вложения считаются эффективными, если выполняются условия:

5.2 Расчет единовременных затрат на подготовку производства изделий

5.2.1 Расчет единовременных затрат на подготовку производства при первом варианте

Единовременные затраты на производство изделий включает в себя:

сметную стоимость научно-исследовательских и конструкторских работ, включая затраты на изготовление и испытание опытных образцов (КНИОКР);

затраты на приобретение недостающего оборудования, включая затраты на транспортировку, установку и монтаж (КПР);

затраты на модификацию имеющегося оборудования (КМОД);

затраты на технологическую подготовку производства, включая затраты на разработку технологических процессов, на проектирование и изготовление технологического оснащения (КТЕХН);

затраты на перепланировку и расширение производственных площадей, связанных с освоением производства изделий (КПЛ).

Для определения КНИОКР и КТЕХН необходимо составить смету затрат. Смета затрат включает в себя следующие основные статьи:

материалы (основные и вспомогательные);

покупные комплектующие изделия, полуфабрикаты;

специальные расходы (на оснащение спецоборудования для научных, экспериментальных работ, технологической оснастки, приборов и инструментов);

основная зарплата разработчиков, исследователей, инженеров, конструкторов, технологов, техников;

дополнительная зарплата ли премия (20-30%);

единый социальный налог (35,6%);

амортизационные отчисления;

расходы на электроэнергию;

расходы на работы и услуги сторонних организаций;

расходы на командировки;

накладные расходы.

5.2.1.1 расчет затрат на материальные расходы

К этой статье относятся затраты на все материалы (основные и вспомогательные), покупные и комплектующие изделия, используемые в процессе НИОКР, технологической подготовки производства (на основании макетов, образцов изделий, испытаний и т.п.). Для расчета затрат на материалы составляется таблица 5.2.1.1.

Таблица 5.2.1.1

Затраты (руб.) на материалы с учетом реализуемых расходов:

где gМ - норма расхода основного (вспомогательного) материала на одно изделие, кг (м);

ЦМ - оптовая цена основного (вспомогательного) материала за единицу, руб.;

ВОТХ - норма отходов материала на изделие, кг (м);

ЦОТХ - цена реализуемых отходов, руб.;- номенклатура материалов на изделие

5.2.1.2 Расчет затрат на специальное оборудование

К этой статье относятся затраты на приобретение или изготовление специального оборудования, которое используется только для разработки данной НИР или ОКР. Если же указанное оборудование используется и для других исследований, то его цена в данную статью включается частично в виде амортизационных отчислений за время использования (tРАБ).

Затраты на специальное оборудование определяются по формуле:

Ведомость затрат ни спецоборудование представлена в виде таблицы 5.2.1.2.

Таблица 5.2.1.2

5.2.1.3 Расчет затрат на основную заработную плату разработчиков (участников НИР, ОКР)

Величина затрат на основную зарплату каждого из участников НИР (ОКР) определяется по формуле:

где ОМЕС - месячный оклад участника НИР;

ДР.МЕС - среднее количество рабочих дней в месяце (ДР.МЕС=21 день = 168 час);

ТРАБ - фактическое время участия в разработке, дн.;

КД - коэффициент, учитывающий доплаты к основной зарплате (премии),

КД = 1,3

Отношение характеризует среднюю дневную зарплату участника НИР, ОКР

Ведомость расчета основной зарплаты ИТР составляется в виде таблицы 5.2.1.3.

Таблица5.2.1.3

Отчисления на единый социальный налог составляют:

Расчет основной зарплаты производственных рабочих, выполняющие отдельные виды работ.

Расчет зарплаты рабочих производится на основе тарифной системы:

 (14)

где Т - трудоемкость работ, н.-час;

g - часовая тарифная ставка (соответствует разряду работ);

КП - коэффициент премии к основной зарплате,

КП = 1,3.

Ведомость расчета основной зарплаты производственных рабочих введена в таблицу 5.2.1.4.

Таблица 5.2.1.4

Основная зарплата составляет:

 (15)

5.2.1.4 Расчет затрат на дополнительную плату

Дополнительная зарплата определяется по формуле:

,

где КДОП - коэффициент, учитывающий величину дополнительной зарплаты. Для производственных рабочих КДОП = 0,14.

 (16)

тогда рассчитаем ее величину:

 (17)

5.2.1.5 Расчет единого социального налога

Размер отчислений на единый налог составляет 35,6% от суммы основной и дополнительной зарплат:

5.2.1.6 Расчет затрат на амортизацию оборудования

Расчет этих затрат осуществляется по формуле:

 (19)

где ЦОБ - цена i-го вида оборудования;

аi - годовая норма амортизационных отчислений;

ФД.О. - действительный годовой фонд времени работы оборудования;РАБi - время работы i-го вида оборудования;- количество единиц i-го вида оборудования.

Ведомость расчета расходов на амортизацию оборудования сведена в таблицу 5.2.1.6.

Таблица 5.2.1.6

5.2.1.7 Расчет затрат на электроэнергию

Расчет затрат на электроэнергию осуществляются по формуле:

 (20)

где Рi - мощность i-го вида оборудования, кВт;- время работы i-го вида оборудования, час;- количество единиц i-го вида оборудования;

ЦЭН - цена 1 кВт - час электроэнергии, ЦЭН=1,52 руб/кВт-час

Расчет затрат на электроэнергию сводится в таблицу 5.2.1.7.

Таблица 5.2.1.7

5.2.1.8 Расчет затрат на работы и услуги сторонних организаций

К этой статье относятся расходы, связанные с выполнением работ по данной НИОКР сторонними организациями, оплата работ и услуг опытного производства, особых испытаний и др. Расчет этих затрат проводится по специальным сметам.

5.2.1.9 Расчет расходов на командировки

К этой статье относятся все расходы по командировкам, связанные с выполнением данной разработки. Обычно расходы на командировки ЗКОМ составляют 8-10% от суммы основной зарплаты научно-производственного персонала.

5.2.1.10 Расчет величины накладных расходов

К этой статье относятся расходы, связанные с управлением и обслуживанием всех НИР, проводимые в данной организации (например, расходы по содержанию зданий и сооружений, зарплата, питание; штрафы, пени и неустойки в связи с нарушением хоздоговоров и т.д.).

Величина накладных расходов исчисляется в процентах от суммы основной и дополнительной зарплаты научно-производственного персонала. Этот процент различен для каждого предприятия.

 (21)

где КН - коэффициент накладных расходов

Результаты расчетов по всем статьям сметы оформляются по форме, представленной в таблице 5.2.1.10.

Таблица 5.2.1.10

5.2.2 Расчет единовременных затрат на подготовку производства при втором варианте

.2.2.1 Расчет затрат на материальные расходы

К этой статье относятся затраты на все материалы (основные и вспомогательные), покупные и комплектующие изделия, используемые в процессе НИОКР, технологической подготовки производства (на основании макетов, образцов изделий, испытаний и т.п.). Для расчета затрат на материалы составляется таблица 5.2.2.1.

Таблица 5.2.2.1

Затраты (руб.) на материалы с учетом реализуемых расходов:

где gМ - норма расхода основного (вспомогательного) материала на одно изделие, кг (м);

ЦМ - оптовая цена основного (вспомогательного) материала за единицу, руб.;

ВОТХ - норма отходов материала на изделие, кг (м);

ЦОТХ - цена реализуемых отходов, руб.;- номенклатура материалов на изделие

5.2.2.2 Расчет затрат на специальное оборудование

К этой статье относятся затраты на приобретение или изготовление специального оборудования, которое используется только для разработки данной НИР или ОКР. Если же указанное оборудование используется и для других исследований, то его цена в данную статью включается частично в виде амортизационных отчислений за время использования (tРАБ).

Затраты на специальное оборудование определяются по формуле:

Ведомость затрат ни спецоборудование представлена в виде таблицы 5.2.2.2.

Таблица 5.2.2.2

5.2.2.3 Расчет затрат на основную заработную плату разработчиков (участников НИР, ОКР)

Величина затрат на основную зарплату каждого из участников НИР (ОКР) определяется по формуле:

где ОМЕС - месячный оклад участника НИР;

ДР.МЕС - среднее количество рабочих дней в месяце (ДР.МЕС=21 день = 168 час);

ТРАБ - фактическое время участия в разработке, дн.;

КД - коэффициент, учитывающий доплаты к основной зарплате (премии),

КД = 1,3

Отношение характеризует среднюю дневную зарплату участника НИР, ОКР

Ведомость расчета основной зарплаты ИТР составляется в виде таблицы 5.2.2.3.

Таблица 5.2.2.3

Отчисления на единый социальный налог составляют:

Расчет основной зарплаты производственных рабочих, выполняющие отдельные виды работ.

Расчет зарплаты рабочих производится на основе тарифной системы:

где Т - трудоемкость работ, н.-час;

g - часовая тарифная ставка (соответствует разряду работ);

КП - коэффициент премии к основной зарплате,

КП = 1,3.

Ведомость расчета основной зарплаты производственных рабочих введена в таблицу 5.2.2.4.

Таблица 5.2.2.4

Основная зарплата составляет:

5.2.2.4 Расчет затрат на дополнительную плату

Дополнительная зарплата определяется по формуле:

,

где КДОП - коэффициент, учитывающий величину дополнительной зарплаты. Для производственных рабочих КДОП = 0,14.

5.2.2.5 Расчет единого социального налога

Размер отчислений на единый налог составляет 35,6% от суммы основной и дополнительной зарплат:

5.2.2.6 Расчет затрат на амортизацию оборудования

Расчет этих затрат осуществляется по формуле:

где ЦОБ - цена i-го вида оборудования;

аi - годовая норма амортизационных отчислений;

ФД.О. - действительный годовой фонд времени работы оборудования;РАБi - время работы i-го вида оборудования;- количество единиц i-го вида оборудования.

Ведомость расчета расходов на амортизацию оборудования сведена в таблицу 5.2.2.6.

Таблица 5.2.2.6

5.2.2.7 Расчет затрат на электроэнергию

Расчет затрат на электроэнергию осуществляются по формуле:

где Рi - мощность i-го вида оборудования, кВт;- время работы i-го вида оборудования, час;- количество единиц i-го вида оборудования;

ЦЭН - цена 1 кВт - час электроэнергии, ЦЭН=1,52 руб/кВт-час

Расчет затрат на электроэнергию сводится в таблицу 5.2.2.7.

Таблица 5.2.2.7

5.2.2.8 Расчет величины накладных расходов

К этой статье относятся расходы, связанные с управлением и обслуживанием всех НИР, проводимые в данной организации (например, расходы по содержанию зданий и сооружений, зарплата, питание; штрафы, пени и неустойки в связи с нарушением хоздоговоров и т.д.).

Величина накладных расходов исчисляется в процентах от суммы основной и дополнительной зарплаты научно-производственного персонала. Этот процент различен для каждого предприятия.

где КН - коэффициент накладных расходов

Результаты расчетов по всем статьям сметы оформляются по форме, представленной в таблице 5.2.2.8.

Таблица 5.2.2.8

5.3 Калькуляция полной себестоимости изделия (продукции, работы)

Полная себестоимость включает в себя следующие статьи затрат:

Материалы основные;

Материалы вспомогательные;

Покупные комплектующие изделия, полуфабрикаты;

Энергия на технологические цели;

Основная зарплата основных производственных рабочих;

Дополнительная зарплата основных производственных рабочих;

Единый социальный налог;

Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования;

Расходы на подготовку и освоение производства;

Цеховые расходы.

Итого: цеховая себестоимость СЦЕХ

Общезаводские расходы;

Потери от брака;

Внепроизводственные расходы.

Итого: полная себестоимость СПОЛ

Рассмотрим порядок расчета отдельных статей калькуляции себестоимости изделия.

Для расчета затрат на материалы (основные и вспомогательные) надо использовать таблицу 7.2.1.1.

Для расчета затрат на покупные комплектующие изделия и полуфабрикаты используем таблицу 7.2.1.2.

Энергия на технологические цели определяется по формуле:

 (22)

где Рi - мощность электродвигателей технологического оборудования на i-ой операции;- число операций технологического процесса выполнения;ШТ-Кi - штучно-калькуляционное время i-ой операции н.-час;

ЦЭН - стоимость 1 кВт-часа электроэнергии, руб;

hМ - коэффициент, учитывающий загрузку электродвигателей по мощности, hМ =0,8;

hП - коэффициент, учитывающий потери электроэнергии в сети, hП =1,15;

h - коэффициент полезного действия электродвигателя.

Штамповка

Токарная

Фрезерная

Токарная

Затраты на основной зарплате основных производственных рабочих на единицу продукции рассчитываются так:

 (23)

где tШТ - норма штучного времени на изготовление единицы продукции, н.-час;

g - часовая тарифная ставка среднего разряда, руб

Дополнительная зарплата основных производственных рабочих составляет 12% от зарплаты основной:

Единый социальный налог составляет 35,6% от суммы и дополнительной зарплаты:

Расходы на содержание и эксплуатацию включают в себя затраты на амортизацию и ремонт оборудования:

где РАМ - затраты на амортизацию оборудования;

РРЕМ - затраты на ремонт оборудования

 (27)

где ЦОБi - цена оборудования на i-ой операции технологического процесса, руб.;- число операций технологического процесса;

аi - норма амортизационных отчислений i-ой операции, н.-час;ШТi - штучное выполнение i-ой операции, н.-час;

ФД.О. - действительный годовой фонд времени работы оборудования, час.

Штамповка

Токарная

Фрезерная

Токарная

Суммарная

Штамповка

Токарная

Фрезерная

Токарная

Суммарная

где r - коэффициент, характеризующий затраты на ремонт и наладку оборудования, %. r = 5%

Расходы на подготовку и освоение производства включаются в себестоимость только при освоении производства новых изделий, они составляют примерно 10% от предпроизводственных затрат.

Общецеховые расходы определяются в процентах от себестоимости изделия. Этот процент уточняется на конкретном предприятии.

Сумма первых десяти статей определяет цеховую себестоимость изделия - СЦЕХ. Потери от брака статей определяется в процентах от суммы первых девяти статей калькуляции себестоимости изделия.

где КБР - коэффициент, характеризующий выход брака при производстве изделий, %.

КБР = 10%

Общезаводские расходы определяются в процентах от суммы брака себестоимости изделия.

Сумма первых двенадцати статей определяет производственную себестоимость изделия - СПР.

Внутрипроизводственные расходы определяются в процентах от производственной себестоимости изделия.

где КВН - коэффициент внутрипроизводственных расходов, принимается равным 2-3%.

Сумма всех тринадцати статей определяет себестоимости изделия - СП.

5.3.1 Расчет оптовой цены изделия

Оптовая цена определяется по формуле:

Таблица 5.3.1

Выводы

Внедрив второй вариант производства не удалось снизить заводскую себестоимость изделия (соответственно снизить затраты на производство), но при этом удалось снизить затраты при эксплуатации.

Это удалось благодаря изменению технологии, а именно, изменению метода упрочнения детали: дополнительно, перед азотированием вводится дробеструйное упрочнение микрошариками.

Затраты на внедрение второго варианта, по расчетам, удастся окупить менее через 7лет производства детали.

6. Проблемы акустики в современной авиации

.1 Акустика пассажирских самолетов

Вопросы экологии в последние десятилетия все больше волнуют человечество. Это и радиация, и загрязнение почвы, воды, воздушной среды, продуктов питания. Авиационный шум и выбросы вредных веществ самолетами также ухудшают среду обитания людей, поэтому вопросы снижения шума и связанного с этим улучшения экологической обстановки продолжают оставаться актуальными в настоящее время и станут определяющими для пассажирских самолетов будущего.

Традиционно авиационная акустика развивается в трех направлениях:

шум летательных аппаратов на местности;

шум в салонах и кабинах;

акустические нагрузки на летательные аппараты.

6.2 Акустика современных самолетов 2000-х годов

.2.1 Шум на местности

Известно, что шум самолетов на местности ограничивается Стандартом ИКАО. В настоящее время для реактивных самолетов продолжают действовать требования, записанные в гл. 2 и 3 Стандарта ИКАО. Но если десятилетие назад происходила интенсивная модификация мирового парка самолетов с целью выполнения требований гл. 2, то сейчас тенденция развития резко изменилась. Парк самолетов все больше наполняется новыми, более тихими самолетами, соответствующими по шуму на местности требованиям гл. 3 Стандарта ИКАО. Так, по данным ИКАО на 1 января в 1988 г., в мировом парке самолетов почти не осталось не сертифицированных по шуму самолетов, 62% удовлетворяют требованиям гл. 2 и 33% - требованиям гл. 3 Стандарта. Такая тенденция, естественно, привела к постановке вопроса о сокращении парка самолетов, соответствующих гл. 2, в законодательном порядке. В Западной Европе принято решение о запрещении с 1 ноября 1990 г. регистрации магистральных самолетов, не соответствующих требованиям гл. 3. На 27-й сессии Ассамблеи ИКАО, состоявшейся в сентябре 1988 г., обсуждались предложения группы стран об установлении даты прекращения полетов самолетов, не удовлетворяющих гл. 3. В качестве возможной даты был назван 1995 г. В ИКАО рассматриваются предложения об ужесточении требований, изложенных в гл. 3. Предлагается снизить предельно допустимые уровни шума в каждой из контрольных точек на 4 ЕРN 1дБ по сравнению с уровнем, указанным в гл. 3.

Ужесточение требований по шуму - это веление времени, это повышение требований по экологии, это и конкуренция. Эти требования непрерывно повышаются, как только появляется техническая возможность снижения шума при приемлемых затратах, т. е. если экономическая целесообразность налицо, то требования ужесточаются. Сейчас на отдельных самолетах получены уровни шума ниже указанных в гл. 3 и поэтому следует ожидать появления новых, более жестких норм для следующего поколения самолетов - самолетов 21-го века. Такова тенденция, она явно видна из графика, приведенного на рис. 6.1.

Рис. 6.1

Отметим, что введение запрета эксплуатации самолетов, не удовлетворяющих требованиям гл. 3, приведет к сложным экономическим последствиям,

По данным ИКАО в мире находится ~5000 самолетов, не удовлетворяющих требованиям гл. 3. Переоборудование некоторых из них (~1500), списание (~3000) и закупка новых (3000) обойдется компаниям в 50-75 млрд. долларов. Это слишком высокие затраты.

Процесс подготовки промышленности Запада к запрету эксплуатации самолетов, не соответствующих гл. 3, постепенно набирает темпы. Он идет как по пути модернизации выхлопной системы двигателей со сравнительно низкой степенью двухконтурности с целью снижения шума струи, так и по пути замены старых двигателей новыми, с высокой степенью двухконтурности.

Так, в США для самолетов В-727, В-737 и DС-9 относительно старых выпусков, имеющих двигатель JТ8D с малой степенью двухконтурности, разработано специальное выхлопное устройство (рис. 6.2). Оно включает в себя смеситель выхлопа, систему перепускных створок перед смесителем, передвижной блок на выхлопе и сопло со звукопоглощающей облицовкой. При взлете и посадке блок смещается вперед, в крейсерском полете - назад.

Прорабатывается модификация самолета В-727, состоящая в замене двигателей JT8D на CFM-56-5 с большей тягой степенью двухконтурности. Несмотря на высокую стоимость, авиакомпании идут на переделку самолетов, так как ресурс планера значительной части парка самолетов большой и поэтому модификация экономически выгодна.

В РФ на сегодняшний день реактивные самолеты Ту-134, Ту-154, Ту-154М, Як-40, Як-42, Ил-86, Ил-76ТД, Ил-62М имеют сертификаты, удостоверяющие их соответствие требованиям гл. 2 Стандарта ИКАО.

Работы по снижению шума самолета Ил-62, серийный выпуск которого прекращен и объем транспортных операций которого незначителен, не проводились, и самолет не имеет сертификата по шуму, хотя акустические характеристики его весьма близки к требованиям гл. 2.

Акустические характеристики активно эксплуатируемых и выпускаемых в настоящее время пассажирских самолетов Ту-154М, Як-42, Ил-62М доведены до требований гл. 3 Стандарта ИКАО, что удостоверено соответствующими сертификатами по шуму. На самолетах установлены модифицированные силовые установки: в воздухозаборниках и выхлопных каналах двигателей установлены звукопоглощающие конструкции (ЗПК), на самолете Ту-154М, кроме того, модифицированы предкрылки и закрылки.

Задача сейчас состоит в серийном выпуске новых самолетов с модифицированными силовыми установками (СУ) и замене на эксплуатируемых самолетах старых двигателей на модифицированные.

Новые самолеты Ту-204, Ил-96-300, Ил-114 создаются с акустическими характеристиками, обеспечивающими выполнение требований гл. 3.

Требованиям гл. 3 смогут удовлетворить и пассажирский самолет Ил-8б, и транспортные самолеты Ил-76ТД, Ан-74, ан-124, если провести следующую модернизацию:

) заменить двигатель НК-86 на самолете Ил-86 на новый, с повышенной степенью двухконтурности (например, на двигатель ПС-90А);

) на самолете Ил-76ТД модифицировать двигатель Д-ЗОКП, который при снижении посадочной массы самолета способен обеспечить выполнение требований гл. 3;

) довести на самолетах Ан-74, ан-124 двигатели с высокой степенью двухконтурности до уровня, отвечающего требованиям гл. 3 по шуму.

Основные научные задачи по обеспечению соответствия отечественных самолетов требованиям гл. 3 Стандарта ИКАО практически решены. Необходима соответствующая конкретная работа по переоборудованию самолетов и экономическая заинтересованность производителей и эксплуатантов.

6.2.2 Основные пути снижения шума самолетов на местности

Главным источником шума на местности является силовая установка, в качестве которой на современных пассажирских самолетах применяется ТРДД или винт.

Для ТРДД со значительной степенью двухконтурности (т > 2) доминирующим источником шума является вентилятор: снижение его шума достигается конструктивными мероприятиями и применением резонансных ЗПК в каналах СУ. В основном благодаря применению ЗПК в СУ (рис. 6.3) удалось снизить шум самолетов Ту-154М и Ил-62М до уровня, требуемого гл. 3.

Звукопоглощающая конструкция

Рис. 6.3

двигатель экономический акустика авиация

ЗПК представляет собой сотовую конструкцию, включающую перфорированный лист, жесткое непроницаемое основание и воздушную полость между ними, разделенную на отдельные ячейки сотовым заполнителем.

Созданы теория выбора ЗПК и инженерный метод расчета затухания шума в каналах с ЗПК при наличии потока. Повышение акустической эффективности применяемых средств достигается рациональным выбором импеданса, учетом распределения звукового давления в канале по модам и, конечно, использованием новых методов снижения шума вентилятора в канале.

Сложнее снизить шум ТРДД с низкой степенью двухконтурности, где основным его источником является выхлопная струя двигателя. Несмотря на большой объем исследований по снижению шума струи двигателя НК-86 для самолета Ил-86, не удалось добиться выполнения этим самолетом требований гл. 3 (превышение составляет от 3 до у ЕРN дБ). Пробовали применять рассекатели, эжектор, дополнительные патрубки, но это приводило к значительным потерям тяги при малоэффективном снижении шума струи.

Проблема шума струи встает в полный рост при создании нового поколения СПС-2. СПС первого поколения - «Конкорд» и Ту-144 создают уровни шума, существенно более высокие, чем указано в гл. 2 Стандарта ИКАО, что стало значительным препятствием для эксплуатации самолетов. Новое поколение СПС-2 должно ориентироваться на требования гл. 3. Обеспечение этих требований - задача архисложная, для ее решения необходимо или применить двигатель изменяемого цикла, или пойти на потери в экономичности самолета для снижения шума струи при взлете.

Проблема выполнения норм шума на местности для нового поколения самолетов с винтовентиляторными двигателями не представляет больших трудностей, если не будут введены ограничения по шуму при пролетах самолетов. Задача для этого поколения самолетов - обеспечение норм шума в салоне.

6.2.3 Снижение шума в канале с помощью ЗПК

Интересные и перспективные результаты получены в исследованиях распространения звуковых возмущений в плавно-неоднородных каналах с потоком. Эта задача находится на стыке классической дифракционной задачи волноводного распространения звука в канале и аэроакустической задачи волноводного распространения звука в неоднородном потоке. Аналитически исследованы ключевые случаи, когда в зависимости от геометрии и акустических параметров стенок канала, возможно возникновение так называемых критических сечений, или сечений, в окрестностях которых происходит слияние двух простых мод в двойную. Рассмотренные случаи интересны с практической точки зрения, поскольку позволяют сформулировать перспективную концепцию оптимизации затухания отдельных мод в плавно-неоднородных каналах. С помощью этой методики в настоящее время подбирают ЗПК для снижения шума лопаточных машин в СУ самолета.

Для расширения полосы заглушаемых частот предполагается использовать двухслойную звукопоглощающую конструкцию (рис. 6.4). Импедансные характеристики двухслойных ЗПК должны быть близки к оптимальным значениям на требуемых частотах. Как правило, такие конструкции предназначаются для снижения дискретных составляющих на двух различных частотах (например, первой и второй гармоник частоты следования рабочего колеса вентилятора на посадочном режиме). Эффективность двухслойных ЗПК на каждой из требуемых частот не ниже эффективности однослойных сотовых ЗПК, настроенных на эти частоты.

Рис. 6.4

Исследуемые в настоящее время резонансные ЗПК с перфорированной панелью в качестве пористого слоя имеют существенный недостаток: импеданс таких конструкций сильно зависит от уровня звукового давления и скорости обтекающего потока. Вследствие этого такие конструкции могут быть максимально эффективны только на одном каком-либо режиме. Для уменьшения нелинейных эффектов и расширения полосы звукопоглощения необходимо уменьшить диаметр отверстия или вместо перфорированной панели использовать сетки саржевого плетения. Конструкции с сетками меньше подвержены влиянию изменения уровней звукового давления, чем ЗПК с перфорированной панелью. Однако эти решения не нашли поддержки в ОКБ из-за большой массы таких конструкций и опасений, что в процессе эксплуатации они будут быстро терять акустические свойства (например, из-за замасливания), а профилактическое обслуживание их затруднено.

Высокая эффективность системы шумоглушения на различных режимах работы двигателя может быть обеспечена также с помощью плавного, изменения входного сопротивления сотовых ЗПК в заданных пределах. Одним из способов управления входным сопротивлением ЗПК является просос сквозь нее воздуха; регулируя количество воздуха, проникающего через отверстия, можно приближать импеданс к оптимальным значениям на каждом режиме. Такие работы начаты несколько лет назад, в дальнейшем предполагается их продолжать с тем, чтобы использовать просос воздуха через ЗПК и для расширения полосы заглушаемых частот.

Для снижения шума низкочастотных ударных волн, излучаемого из воздухозаборника, в ЦАГИ разработано специальное устройство в виде кольцевой камеры, которая соединяется с проточной частью щелевым каналом (рис. 6.5). Первые испытания такого кольцевого резонатора на модельном компрессорном стенде показали, что максимальные уровни шума ударных волн можно снизить на величину до 14 дБ. При определенной геометрии резонатора снижение уровней получено также в высокочастотной области (f>4 кГц). Поскольку устройство компактно, оно может быть размещено в воздухозаборниках двухконтурных двигателей перед рабочим колесом в сочетании с обычной сотовой ЗПК, что позволит существенно расширить диапазон заглушаемых частот. Кроме того, кольцевой резонатор представляет существенный интерес как средство глушения шума винтовентиляторного двигателя с закапотированным вентилятором, так как особенностью этих двигателей является наличие очень короткого и тонкого кольца, в котором практически невозможно разместить обычные сотовые ЗПК, настроенные на частоту следования лопаток винтовентилятора.

Рис. 6.5

Дальнейшая разработка эффективных методов снижения шума в каналах силовой установки связана, во-первых, с развитием теории возбуждения и распространения акустических волн в каналах с учетом неоднородности потока и переменной геометрии, влияния пограничного слоя на стенке канала и отражения волн от открытого конца канала и, во-вторых, с возможностями моделирования свойств реальных ЗПК импедансными граничными условиями.

6.2.4 Структурная акустика

Структурная акустика изучает явления, определяющие передачу звуковой энергии в салон и формирование в нем акустического поля. Она непосредственно связана с классической акустикой и динамикой упругих систем. Поскольку аэроакустические нагрузки по поверхности самолета представляют собой случайные по пространству и времени поля, изучение явлений требует вероятностного подхода.

В настоящее время в ЦАГИ в рамках метода конечных элементов разрабатывается численная модель упругоакустической системы, описывающей связанные колебания каркассированной обшивки фюзеляжа и акустической среды в салоне при возбуждении внешним полем пульсации давления с заданными рассредоточенными амплитудно-фазовыми характеристиками. При этом учитываются дискретность ребер жесткости (стрингеров и шпангоутов) и особенности конфигурации акустического объема.

Численная модель реализуется на современной ЭВМ и используется для оценки влияния параметров поля нагрузки, упругоинерционных параметров оболочки и др. Несмотря на то что разработка методов расчета шума в салоне пока не завершена, уже удалось, используя численную модель, провести качественный анализ влияния ряда параметров акустических нагрузок, конструкции фюзеляжа и салона на уровни шума в салоне. В результате намечены новые нетрадиционные способы снижения уровней шума, особенно низкочастотного, внутри самолета:

уменьшение вибровозбудимости и излучения фюзеляжной конструкции и панелей интерьера;

увеличение потерь звуковой энергии в полости между стенками;

увеличение поглощения в салоне.

Одним из способов управления виброакустическими характеристиками фюзеляжной конструкции является ее «настройка» путем изменения упруго-инерционных свойств силового набора таким образом, чтобы в конструкции не возбуждались длинноволновые моды на частотах ниже собственной частоты ячейки.

Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные для малоразмерных (l = 0,2¸0,3 м) модельных панелей, показали, что имеется принципиальная возможность осуществления такой настройки (рис. 23). Однако для крупноразмерных фюзеляжных панелей (l ≈ 1,5 м) эффективность настройки оказывается ниже ожидаемой, что отчасти объясняется недостаточной жесткостью шпангоутов на изгиб.

Проведены также исследования по созданию слоистых конструкций, служащих для облицовки упругих элементов и повышающих, в конечном счете, звукоизоляцию фюзеляжа в области низких частот. Они показали, что отдельные образцы слоистых конструкций позволяют достичь существенного эффекта при значительно меньших массовых затратах, чем это требуется для традиционных схем (рис. 24).

Весьма перспективным для снижения шума в салоне является применение резонансных поглотителей. В результате расчетных и экспериментальных исследований акустических характеристик одиночных резонансных поглотителей звука (рис. 25) была показана возможность достижения высоких (0,8-0,95) значений коэффициента звукопоглощения в диапазоне низких частот (100-200 Гц); у типовых самолетных конструкций в этом диапазоне частот он не превышает 0,2-0,3. Дополнительного увеличения звукоизоляции самолетной конструкции можно также добиться путем неравномерного распределения звукопоглощающего материала в полости между стенками.

В настоящее время в ОКБ разрабатываются опытные панели фюзеляжа, в которых используются предложенные способы увеличения их акустической эффективности.

Основные задачи, стоящие перед исследователями этого направления:

разработка аналитических и численных методов расчета шума в ЛА от различных внешних источников, создающих неоднородные аэроакустические поля на поверхности фюзеляжа;

поиск принципиально новых перспективных высокоэффективных методов снижения шума в салонах, особенно в области низких частот.

6.2.5 Активные методы гашения шума в авиации

Идея снижения шума активными методами с помощью адаптивных электронно-акустических устройств привлекает внимание во всем мире. Это объясняется преимуществами и потенциальными возможностями активных систем подавления шума, особенно в области низких частот.

Можно выделить три направления исследований по разработке систем «антишума» в авиации:

исследования, связанные с разработкой средств индивидуальной защиты антишумовых наушников, шлемофонов и кресельных гарнитуров (рис. 26). Активные системы индивидуальной защиты наиболее просты в техническом отношении и не требуют больших аппаратурных, энергетических и массовых затрат. Обычно система включает в себя электронную аппаратуру синхронного синтезатора формы волны и легкие, акустически проницаемые наушники. Лабораторные испытания показали, что речь и сигналы тревоги не искажаются, а фоновый шум снижается на величину до 40 дБ;

изучение возможности создания распределительных активных систем для гашения шума в основной части кабины или салона летательного аппарата;

изучение возможности создания системы антишума, устанавливаемой снаружи фюзеляжа для гашения поля акустических нагрузок на поверхности обшивки фюзеляжа.

Применение систем антишума перспективно также в каналах систем кондиционирования и вентиляции.

В заключение отметим, что одним из наиболее интересных способов активного управления акустическим полем в салоне винтового самолета является управление импедансом стенок в сочетании с применением низкочастотных резонансных звукопоглощающих конструкций (рис. 27). Активные системы позволяют при малой толщине звукопоглощающей конструкции просто управлять ее резонансной частотой и характеристикой поглощения. Начатые исследования активных резонансных ЗПК показали возможность в довольно больших частотных пределах автоматически управлять импедансом.

Системы антишума, кроме их использования для решения типично акустических задач, могут найти применение также как средство активного воздействия на пограничный слой для снижения гидродинамических пульсаций. Предпринимаются попытки использования антишума для подавления волн Толмина-Шлихтинга перед областью перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный и тем самым для смещения вниз по потоку точки перехода. Подавление волн Толмина-Шлихтинга достигалось несколькими способами: путем механических колебаний ленточки, установленной в пограничном слое, путем периодического нагревания полоски поверхности и периодического вдува-отсоса воздуха из пограничного слоя. Следует отметить, что положительные результаты пока получены только для двумерного пограничного слоя при малых скоростях потока.

рис. 6.9

рис. 6.10

.3 Шум и борьба с ним

Одним из наиболее вредных производственных факторов, влияющих на человека, является шум, который можно квалифицировать следующим образом:

По источникам:

механический;

аэродинамический;

гидравлический;

электромагнитный.

По частоте:

низкочастотный до 300 Гц;

среднечастотный 300¸8000 Гц;

высокочастотный свыше 8000 Гц.

По характеру спектра:

широкополосный с непрерывным спектром свыше одной октавы;

тональный.

По переменным характеристикам:

постоянный - в течение рабочего дня (звуковое давление Lp меняется менее, чем на 5 дБ);

переменный - в течение рабочего дня (звуковое давление Lp меняется более, чем на 5 дБ);

колеблющийся;

прерывистый;

импульсный.

Шум, когда он невелик (при уровне 50 - 60 дБ) создает значительную нагрузку на нервную систему человека, оказывая на него психологическое воздействие. Под воздействием шума, превышающего 85 - 90 дБ, в первую очередь, снижается слуховая чувствительность на высоких частотах. Длительное воздействие шума с уровнем 100 - 120 дБ на низких частотах и 80 - 90 дБ на средних и высоких частотах может вызвать необратимые потери слуха, характеризуемые постоянным изменением порога слышимости. Люди, работающие в условии повышенного шума, жалуются на быструю утомляемость, головную боль, бессонницу. Воздействие шума на вегетативную нервную систему проявляется даже при небольших количествах звука 40 - 0 дБ, что приводит к нарушению периферического кровообращения, за счет сужения капилляров кожного покрова и слизистой оболочки.

Для нормирования шума используют метод нормирования по предельному спектру шума. Здесь нормируются уровни звуковых давлений в восьми октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц.

С ростом частоты допускаемые уровни уменьшаются. Таким образом, шум на рабочих местах не должен превышать допустимых уровней, значения которых приведены в таблицах 6.3 и 6.4.

Количественная оценка опасных факторов при измерениях шума в испытательном боксе

Таблица 6.3

Таблица 6.4

Исходя из этих норм, выбираются необходимые средства защиты органов слуха. Уровни шума могут быть снижены средствами индивидуальной защиты, нормируются по ГОСТ 12.4.051-78.

Эффективность средств защиты органов слуха

Таблица 6.5

Для уменьшения шума необходимо применять следующие методы:

уменьшение шума источника;

изменение направления излучения;

рациональное планирование предприятия и цехов;

акустическая обработка помещений;

уменьшение шума на пути его распространения.

Интенсивность шума зависит не только от прямого, но и от отраженного звука. Поэтому если нет возможности уменьшить прямой звук, то для снижения шума нужно уменьшить энергию отраженных волн. Это достигается путем размещения на внутренних поверхностях звукопоглощающих облицовок и экранов. Этот способ называется акустической обработкой помещений.

6.4 Расчет освещенности

Освещение рабочего места - наиболее важный фактор создания нормальных условий труда. Недостаточное освещение рабочего места может вызвать быстрое утомление глаз, потерю внимания и, как следствие, привести к производственной травме.

Таблица 6.6

В современных осветительных установках, предназначенных для освещения производственных помещений, в качестве источников света применяют люминесцентные лампы.

Вычислим освещаемую площадь освещения, м2:

,

где А и В - соответственно, длина и ширина помещения.

Для расчета освещения методом светового потока вычисляем индекс помещения:

С учетом i находим коэффициент светового потока h; для ГЛ - h = 0,74

Определяем потребное количество светильников, шт.

Световые и электрические параметры ламп накаливания

Таблица 6.7

По таблице 6.7 находим Фл = 4800, для ЛБ (мощность = 65 Вт)

Минимальная мощность - Еmin = 300лк

,

где К3 = коэффициент запаса, учитывающий снижение освещенности при эксплуатации (Кз = 1,1 - 1,3);- отношение средней освещенности к минимальной (обычно принимается равным 1,1 - 1,2); ni - число ламп в светильнике; h - коэффициент использования (выражается отношением светового потока, падающего на расчетную поверхность, к суммарному потоку всех ламп и исчисляется в долях единиц; зависит от характеристик светильника, размеров помещения, окраски стен и потолка).

. Определяем фактическую освещенность, лк, по формуле:

По окончании монтажа системы освещения обязательно проверяют освещенность. Если фактическая освещенность отличается от расчетной более чем на -10¸+20%, то изменяют схему расположения светильников или мощность ламп. В данном расчетном случае освещенность отличается на »10%.

6.5 Расчет системы шумоглушения

При расчете стенда образуется ряд вредных веществ, загрязняющих атмосферу, так как для приведения механизмов в движение используется сжигание топлива в турбинной установке. Одним из основных вредных факторов, влияющих на окружающую среду, является также шум и вибрация.

Для защиты от шума и возможной вибрации, характерных при испытаниях компрессоров двигателей, испытательный стенд имеет мощный фундамент, причем участок фундамента под газовыми турбинами, ускорителем и барокамерой - более массивный и выполнен отдельно от общего фундамента.

Стены боксов, шахты всасывания и выхлопа оборудованы элементами шумоглушения. В качестве звукопоглощающих элементов применены блоки прямоугольной формы, облицованные перфорированной лентой из стали или дюрали, и заполнены стекловолокном; цилиндры, подвешиваемые в шахтах всасывания и выхлопа, а также поролоновые щиты, уложенные в специальные кассеты и расположенные в жалюзных воротах шахты всасывания.

Уровень шума, создаваемый работающими турбинами, ускорителями и испытуемым компрессором, не должен превышать уровня шума в радиусе защитной зоны, предусмотренного СНиП СН-245-81 и составляющего 100…105 дБ. Уровень шума в производственных помещениях бокса должен быть еще меньше. Для этого кабина наблюдения отделена от бокса толстой стеной; двери из кабины наблюдения в бокс выполнены двойными, герметичными, с набивкой из звукопоглощающего материала; стекла кабины также двойные, с прокладками из звукопоглощающего материала, с воздушными промежутками. Кроме своего основного назначения, стекла выполняют еще и защитную функцию - задерживают возможные осколки частей установки, возникающие при аварийной ситуации. Бригада испытателей имеет также индивидуальные средства защиты: шлемы, противошумные пробки, наушники, применяемые при выходе в бокс.

Рассмотрим расчет шумоглушителя, отводящего выхлопной поток воздуха в шахту выхлопа. Кожух шумоглушителя выполняется из листовой стали и облицовывается звукопоглощающим покрытием, состоящим из слоя совелита толщиной 60…80 мм.

В качестве звукопоглощающих элементов выхлопной шахты применены цилиндры диаметром 200 мм, выполненные из перфорированной стальной ленты и заполненные стекловолокном. Изнутри цилиндры заклеены стеклотканью.

Суммарный уровень шума незаглушенного источника принят равным 138 дБ. Заглушение шума происходит в трех секциях шумоглушителя, где расположены звукопоглощающие цилиндры.

Расчет шумоглушения сведем в таблицу.

Таблица 8.1

Общий уровень шума при работающей установке:

где, r - расстояние от выхлопного колена шумоглушителя;- площадь выходного сечения шумоглушителя;=0,015∙r - поправка на затухание шума в атмосфере;

Выводы

Основой Политики предприятия в области качества является создание, производство и выпуск надежных, безопасных авиадвигателей для военной и гражданской авиации и промышленных газотурбинных установок, соответствующих требованиям и ожиданиям потребителей, при высокой эффективности и экономичности разработок и производства и, как следствие, обеспечение стабильности работы предприятия и его финансового положения.

Сборка первого опытного образца нередко показывает, что характеристики отдельных узлов двигателя не имеют достаточной согласованности, некоторые узлы и детали оказываются недостаточно прочными и при испытаниях ломаются. Устранение этих дефектов, установление причин поломок деталей, их упрочнение достигаются в процессе доводки двигателя.

Технические условия на изготовление валов зависят от требований к конструкции. Обработку валов производят, как правило, в центрах. Наиболее жесткие требования по точности и шероховатости поверхности предъявляются к шейкам валов, на которые устанавливают подшипники качения. Предел выносливости деталей и из элементов определяют на базе 2×107 циклов, кроме специальных случаев. При расчетной оценке влияния эксплуатационных, конструктивных и технологических факторов используются зависимости и экспериментальные данные, соответствующие базе 2×107 циклов. Испытания деталей ГТД и их элементов с целью определения пределов выносливости должны проводиться в условиях, наиболее имитирующих реальные условия работы. Влияние факторов, невоспроизведенных при испытаниях деталей, должно быть учтено по результатам испытаний образцов, изготовленных из материала детали.

Испытания таких образцов необходимо проводить с одновременным воспроизведением нескольких факторов: асимметрия цикла и температуры; асимметрия цикла, температуры и концентрации напряжений; концентрации напряжений, температуры, шероховатости поверхности и упрочнения.

Основными для валов являются постоянные и переменные нагрузки от деталей передач и рабочих дисков (например, дисков компрессора, турбины и т.д.). Переменные напряжения в валах могут вызываться изменяющейся по времени внешней нагрузкой.

Постоянные по величине и направлению силы передач вызывают во вращающихся валах переменные напряжения, изменяющиеся по асимметричному циклу. Валы могут быть нагружены и постоянными напряжениями (например, от неуравновешенности вращающихся деталей).

На статическую прочность валы рассчитывают по наибольшей возможной кратковременной нагрузке (с учетом динамических и ударных воздействий), повторяемость которой мала и не может вызвать усталостного разрушения. Так как валы в основном работают в условиях изгиба и кручения, а напряжения от продольных усилий не велики, то эквивалентное напряжение в точке наружного волокна.

Упрочнение поверхностным деформированием, обеспечивающим получение в поверхностном слое структур с повышенным содержанием дефектов, широко используется для повышения сопротивления усталости как деталей без концентраторов напряжений, так и деталей с концентраторами напряжений, работающих при умеренных температурах нагрева (до температур возврата).

Химико-термические и термические упрочняющие методы обработки (поверхностная закалка, цементация, ионное азотирование, алитирование, борирование) позволяют резко изменить физико-химическое состояние поверхностного слоя деталей и обеспечить требуемые эксплуатационные свойства (износостойкость, сопротивление усталости, жаростойкость и др.). Применение этих методов является не только эффективным, но в ряде случаев, единственно возможным способом обеспечения заданного ресурса и надежности работы деталей.

Целью комплексного упрочнения (поверхностное деформирование микрошариками с последующим ионным азотированием) является повышение, наряду с характеристиками износостойкости и контактной стойкости, характеристик выносливости детали.

Анализируя приведенные в экологической части данные, можно сделать вывод, что, применяя перечисленные средства индивидуальной и общей защиты от шума и правильно подбирая освещенность помещений, можно достичь таких значений, при которых воздействия на человека не приводили бы к неблагоприятным последствиям.

Общий уровень шума при работе установки со значением в 91 дБ удовлетворяет санитарным нормам уровня шума.

Литература

1.     Описание двигателя АЛ31ФН

2.       Г.С. Скубачевский «Авиационные газотурбинные двигатели» М.: Машиностроение, 1974

.         И.А. Биргер, Б.Ф. Шорр, Г.Б. Иосилевич «Расчет на прочность деталей машин», справочник, М.: Машиностроение, 1979.

.         М.А. Болтер «Упрочнение деталей машин» М.: Машиностроение, 1978

.         А.М. Сулима, В.А. Шулов, Ю.Д. Ягодкин «Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин», М.: Машиностроение, 1988г.

.         Г.Н. Дубинин, Я.Д. Коган «Прогрессивные методы химико-термической обработки» М.: Машиностроение ,1979

.         Н.В. Абраимов, Ю.С. Елисеев, В.В. Крымов «Авиационное материаловедение и технология обработки металлов», М.: Высшая школа, 1998.

.         Л.Г. Одинцов «Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием», М: Машиностроение, 1987.

.         С.И. Пудков, Г.М. Рыбаков «Методические основы аналитического определения оптимальных режимов упрочняющей дробеструйной обработки деталей» М.: Машиностроение, 1990

.         А.Г. Мунин «Авиационная акустика» М.: Машиностроение, 1986.

.         Л.Я. Кудисова, А.В. Топоров «Параметрические исследования по обеспечению акустической комфортности в салонах самолетов» Л.: Стройиздат, 1990.

.         Н.Н. Лямина, Л.В. Михайлова, Д.А. Комонов «Методические указания по выполнению организационно-экономического раздела дипломного проекта» М.: МАТИ им. К.Э.Циолковского. 2003

.         А.М. Геворкян «Экономика и организация производства летательных аппаратов» М.: Машиностроение, 1995