2601

гаемыхповерхностей, способы ихобработкидолжныназначаться с учетомспособасборкисоединения, условийегоэксплуатации, материаловдеталей идругихфакторов. Так примеханическойсборкечистотусопрягаемыхповерхностей следует увеличиватьдо Rа =0,16-0,32мкм, апритермической уменьшатьдо Rz=10-20мкм. Еслисоединениеполучаютглубокимохлаждением вала, на посадочную поверхностьпоследнегоцелесообразно нанестимикрорельеф треугольнойформыс угломпрофиля при вершине120о иглубитной(0,5-0,8)δ [6]. Прочность обеспечивается внедрением этихшероховатостей вматериалохватывающейдеталиприсборке.

Широкие возможностидля управления микрогеометрией поверхностей открывает метод вибронакатывания [5], позволяющий создавать насопряженных поверхностях практически идентичный регулярный микрорельеф с определенной формой неровностей. Эксперимент показал, что соединение, в котором сопрягаемые поверхности получены таким методом, имеют более высоку заполняемость впадин одной детали выступами другой, что приведит к увеличению фактической площади контакта и прочности соединения. Следует отметить, что вибронакатыванием обрабатывают детали малых и средних размеров, а для его реализации требуются специальное оборудование и инструмент. Нанесение на посадочные поверхности одной или обеих деталей гальванических покрытий позволяет увеличить в 2-4 раза статическую прочность со-

единения [7-10] в зависимости от способа сборки и материала покрытия. Предпочтительна сборка с охлаждением. Гальванические покрытия особенно мягкие (медь, цинк, олово, кадмий) увеличивают коэффициент трения в 1,5-2 раза [9]. По данным в [9] мягкие гальванические покрытияимеют низкий предел текучести и с понижением температуры их пластические свойства повышаются. Даже при небольших давлениях они проникают в углубления микропрофиля охватывающей детали не вызывая в ее материале пластических деформаций. В материале вала возникают только упругие деформации. Рост прочности соединения вызван тем, что в начальный момент смещения происходит одновременный срез большого количества объемов покрытия внедрившимися в него микронеровностями охватывающей детали. В [10] в качестве покрытия предлагается использовать жидкое стекло, что позволяет увеличить коэффициент трения в соединении до 0,9.

Создание прослоек и покрытий усложняет технологический процесс (особенно при нанесении покрытий на крупногабаритные детали) и требует обязательной очистки сопрягаемых поверхностей.

В [1, 6, 11] приведены данные о влиянии термической и химикотермической обработки посадочных поверхностей на статическую прочность соединений с натягом. Так закалка посадочной поверхности детали увеличивает прочность соединения по осевой силе в 1,3-2 раза, а по окружной в 1,1-1,4 раза.

Цементация или азотирование вала при сборке с охлаждением увеличивает прочность посадки в 1,6 раза, а при тепловой сборке в 1,33 раза. Эффект дос-

312

тигается тем, что присборке более твердые микронеровности одной детали внедряются в материал другой, увеличивая фактическую площадь контакта и сопротивление относительному смещению деталей. Недостатки этого технического решения: усложнение технологического процесса, если термообработка посадочной поверхности не совмещается с обработкой других частей детали, например, зубьев колеса; наличие остаточных напряжений в материале обрабатываемой детали.

Перспективным способом увеличения прочности соединений с натягом является модификация. Суть его– изменение макрогеометрии стыка изготовлением на посадочной поверхности однойиз соединяемых деталей канавок малой глубины [12, 13]. После температурной сборки из-за разрыва контакта контактное давление в соединении возрастает, фактическая площадь контакта и сила трения увеличиваются. При определенных условиях, несмотря на уменьшение номинальной поверхности контакта, суммарная сила трения не только не уменьшается по сравнению с гладким соединением, но даже несколько увеличивается, что подтверждено экспериментально [12]. Кроме того в местах разрыва контакта деталь с гладкой посадочной поверхностью образует деформационную волну, которая частично или полностью заполняет канавку и препятствует относительному смещению деталей. Прочность такого соединения зависит от формы, размеров, взаимного расположения канавок, их количества, соотношения твердостейдеталей с модифицированной и гладкой посадочной поверхностями. Канавки целесообразно изготавливать на более твердой детали. По данным испытаний предлагаемая модификация позволила увеличить статическую прочность цилиндрического соединения по осевой сдвигающей силедо 50-55 %, а конического соединения на 13-20 %.

Рассмотренныеспособынеисчерпываютвсехвозможностейвоздействия на прочностьсоединенийснатягом.Привыбореспособанадоучитывать условия работысоединения, предъявляемыекнемутребования, техническиевозможностиизготовителя, экономическуюцелесообразностьидругиефакторы.

Библиографический список

1.ГречищевЕ.С.,ИльяшенкоА.А.Соединенияснатягом.–М.:Машиностроение,1981.–240с. 2.Клековкин В.С., Абрамов И.В. Исследование статической прочности цилиндрических соединений с автофретированными охватывающими деталями. // Вестник машино-

строения. – 1977. – № 8. – С. 21–24.

3.Кобрин М.М. Прочность прессовых соединений при повторно-переменной нагрузке. –

М.: Машгиз, 1954. – 204 с.

4.Папшев Д.Д., Тютиков Г.Ф., Машков А.Н. Зависимость прочности соединений с натягом от методов обработки сопрягаемых поверхностей. // Вестник машиностроения. – 1981. – №10. – С. 16–20.

5.Шнейдер Ю.Г., Забродин В.А. Прочность неподвижных соединений деталей с регулярным микрорельефом. // Вестник машиностроения. – 1976. – № 6. – С. 41–42. 6.Зенкин А.С. Технологические основы сборки соединений с натягом. – М.: Машино-

строение, 1982. – 50 с.

313

7.Лукашевич Г.И. Прочность прессовых соединений с гальваническими покрытиями. – Киев: Гостехиздат, 1962. –61 с.

8.Щенятский А.В. Исследование распределения контактного давления в соединениях с гарантированным натягом с гальваническими покрытиями. // Вестник машинострое-

ния. – 1993. – № 11. – С.8–10.

9.Бобровников Г.А. Прочность посадок, осуществляемых с применением глубокого холода. – М., Машиностроение, 1971. – 96 с.

10.Кравцов М.К., Кушаков В.И., Сероштанов И.П. Проблемы сборки соединений с натягом на основе индукционно-тепловой технологии. // Вестник машиностроения. – 1991. – № 8. – С.52–55.

11.ДобровенскийЮ.М.,МонаховВ.А.Повышениепрочностисоединенийснатягомтермообработ- койпосадочныхповерхностей.//Вестникмашиностроения.–1987.–№6.–С.20–21.

12.Рязанцева И.Л., Бородин А.В. Соединения с натягом повышенной несущей способности. – Омск: ОмГТУ, 2006. – 152 с.

13.Бородин А.В., Тарута Д.В., Рязанцева И.Л., Волков В.М., Вельготская Т.В. Повыше-

ние нусущей способности конического соединения с натягом при опорно-осевой подвеске двигателя тепловоза. // Транспорт Урала. – 2008. - № 1(16). – С. 57-59.

УДК 629.7

СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ АЭРОСТАТИЧЕСКОЙ ПОДЪЕМНОЙ СИЛЫ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ АЭРОСТАТИЧЕСКИХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

В.С. Шалаев, В.В. Сыркин, д-р техн. наук, профессор Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

Для полетов аэростатических летательных аппаратов (АЛА) используют аэростатическую подъемную силу (АПС). Аэростатической подъемной (архимедовой, выталкивающей) силой называют силу, образованную разностью между плотностью окружающей среды и плотностью погруженного в него тела.

Равнодействующая АПС для АЛА рассчитывается в общем виде следующим образом:

где Yапс – аэростатическая подъемная сила, Н; Wг – объем газа в баллоне, м3; ос – плотность окружающей среды, кг/м3; об – плотность газа внутри баллона, кг/м3; g – ускорение свободного падения, м/с2.

В случае, если ос = об аэростатическая подъемная сила равна нулю. Нужно иметь ввиду, что уравнение (1) справедливо только для идеального случая, в реальной обстановке необходимо рассматривать влияние на АПС

температуры и давления в окружающей среде. При использовании уравнения Менделеева-Клапейрона уравнение (1) примет следующий вид:

314

где р – давление окружающей среды, R – газовая постоянная воздуха, Тос – температура окружающей среды в градусах Кельвина, Тоб - температура окружающей среды в градусах Кельвина.

Для того чтобы получить положительное значение АПС существуют несколько видов конструкций АЛА.

Конструкция АЛА вакуумного типа. Внутри оболочки АЛА созда-

ется вакуум или достаточно большая степень разряжения, которые образуют АПС. Впервые идея возможности создания АПС за счет разреженного воздуха или вакуума была предложена в 1666 г., а в 1670 г. итальянец Франческо Лава Терции издал книгу, в которой изложил идею полета с помощью полых шаров. В то время идея, проверенная расчетами, была признана нереальной.

Современные технологии и применение новых материалов способны решить эту проблему. Применение высокопрочной мягкой оболочки и высокопрочного каркаса позволит создать вакуумный аэростат или дирижабль.

Конструкция АЛА теплового (термического) типа. Внутри оболоч-

ки АЛА создается температура воздуха выше температуры окружающей среды, разность между которыми образует АПС. Такие АЛА реально строили и строят в настоящее время, и они получили название тепловой аэростат (монгольфьер) или тепловой дирижабль.

КонструкцияАЛАгазовоготипа.ОболочкаАЛАзаполняетсягазом(подъемным),имеющимплотностьменьшую,чемплотностьокружающейсреды.

В качестве подъемных газов применяются также их смеси. По такому способу летает большинство АЛА. Все дирижабли практически строились с использованием водорода или гелия в качестве несущего газа.

Основная задача при проектировании АЛА в зависимости от его назначения состоит в создании системы регулирования АПС (РАПС), которая была бы оптимальной для данного АЛА.

По способу изменения объема рабочего тела (газа, теплого воздуха и т.д.) различают расходный и безрасходный способы РАПС.

При расходном способе рабочее тело , будь то воздух, газы или их смеси выбрасывают в атмосферу, в этом случае изменяется первоначальный объем Wг и соответственно и изменяется и АПС.

При безрасходном способе рабочее тело не вытесняется, оно либо сжимается, либо нагревается, то есть изменяется его плотность и, следовательно, изменяется АПС. Рассмотрим эти способы более подробно. Расходный способ, именуемый иногда балластным, является наиболее простым в части конструктивного исполнения. Большинство созданных и успешно летающих АЛА использовали этот способ.

Для газовых аэростатов (дирижаблей) этот способ применялся следующим образом. В конструкции баллона аэростата (дирижабля) должны

315

быть предусмотрены следующие агрегаты: выпускные газовые клапаны, емкости с балластом. При маневрировании аппарата в простом случае, когда аэростат совершает горизонтальный полет без внешних воздействий и движется вместе со средой, аэростатическая подъемная сила Yапс уравновешена весом аппарата G.

Для того, чтобы аппарат начал движение вверх или вниз, данное равновесие должно быть нарушено, для подъема должен быть сброшен балласт, для спуска – выпущен газ.

Подъем и спуск аппарата происходит с ускорением, величина которо-

где Fy – сила воздействия на оболочку воздушного потока, Н; Ma – масса аэростата, кг; Mг – масса газа, кг; Мпр - масса воздуха присоединенная, кг; а

– ускорение, м/с, при спуске Fy имеет знак «+», а при подъеме знак «-». Величина ускорения ограничивается нормами прочности конструкции

аппарата. Зная величину ускорения, можно рассчитать количество газа, которое необходимо выпустить из выпускных газовых клапанов (ВГК), их количество и определить время этого процесса.

Недостатками данной системы РАПС является, например, то, что при длительном полете из-за изменения внешних условий возникает необходимость частой регулировки величины АПС, а это приводит к большим потерям газа и балласта. При этом возможны случаи, когда газ уже выпускать нельзя, а балласта уже нет.

Второй недостаток состоит в том, что в качестве несущего газа можно применять только дешевый водород, который взрывоопасен.

Безрасходный способ регулирования, который получил также название как безбалластный, конструктивно более сложен, что значительно усложняет конструкцию аппаратов. Теоретически существует ряд схем работы безбалластных схем: тепловой АЛА; пневмодирижабль ( в двойную оболочку АЛА нагнетается воздух и, как следствие, происходит сжатие несущего газа и изменяется величина АПС); перекачка несущего газа из основных баллонов в резервные, находящиеся под большим давлением. В этом случае также происходит уменьшение АПС.

Вконструкциях современных АЛА разработчики используют в зависимости от назначения АЛА элементы различных систем РАПС.

Для небольших по объему газа аппаратов мягкой или полумягкой схемы в настоящее время применяют конструкторское решение, получившее название «вертостат».

Всхеме «вертостат» за основу взята балластная система РАПС, нодля эволюций аппарата в процессе полета используют изменяемый вектор тяги силовых установок (СУ). С одной стороны при работе этой схемы она увеличи-

316

вает точность регулирования величины изменения АПС и, как следствие, положение аппарата в пространстве во время полета, но с другой стороны эта схема имеет существенные недостатки: применяется только для АЛА небольших объемов; при взлете и посадке данных аппаратов возникают проблемы компенсации сноса аппарата боковым ветром из-за того, что вектор тяги СУ направлен либо вверх или вниз и не может компенсировать боковой снос. Поэтому введены ограничения по силе ветра; при отказе СУ в полете аппарат необходимо сжать, выпуская несущий газ.

Следующая схема получила название «термоплан». Обычно в этой конструкции массу аппарата компенсируют объемом несущего газа, расположенного в одном отсеке, а массу перевозимого груза и необходимые эволюции аппарата в полете компенсируют нагретым воздухом, находящимся в другом отсеке.

Такая система РАПС, хотя и отличается очевидной простотой, но имеет ряд существенных недостатков: аппарат имеет значительные габариты из-за того, что нагретый воздух обладает небольшой подъемной силой; при отказе системы нагрева воздуха аппарат должен срочно приземляться или сбрасывать груз, т.е. он лишается режима «дрейфа» как основного достоинства; для полета с грузом необходимо дополнительное топливо для создания подъемной силы.

Следующая группа схем аппаратов объединена под названием «пневмодирижабль». Данная группа является наиболее перспективной, так как позволяет регулировать величину изменения АПС не дискретно, а плавно

идостаточно точно отслеживать реальную величину изменений.

Впервой схеме система РАПС работает за счет сжатия несущего газа, находящегося в двойной оболочке, наружным воздухом, нагнетаемым в отсеки двойной оболочки. По точности регулирования величины изменения АПС данная система РАПС имеет лучшие показатели, однако имеет существенные недостатки: значительно увеличивает массу аппарата за счет массы системы РАПС; обладает большой инерцией из-за значительной протяженности магистралей; способствует снижению чистоты несущего газа за счет диффузии воздуха в несущий газ из магистралей, находящихся под высоким давлением.

Во второй схеме система РАПС работает за счет изменения плотности несущего газа.

Впервом случае несущий газ сжимается и перекачивается в резервную емкость под увеличенным давлением. Во втором случае несущий газ предварительно охлаждается, затем сжимается и перекачивается в резервную емкость.

Оба варианта кроме очевидных достоинств (большая точность изменения АПС, высокая оперативность систем РАПС и ряд других) имеют существенные недостатки: значительно увеличивается масса аппарата за

317

счет массы системы РАПС; увеличиваются потери несущего газа за счет увеличения площади контакта с несущим газом; увеличивается энерговооруженность аппарата.

318