ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС СТЕНДА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ГИДРОДОМКРАТОВ СТАРТОВЫХ КОМПЛЕКСОВ ПРИ НАТУРНЫХ УСЛОВИЯХ НАГРУЖЕНИЯ

Полезная модель относится к испытательной технике, в частности, к стендам для испытаний силового гидропневмооборудования стартовых ракетных комплексов при натурных условиях нагружения, в которых средство нагружения выполнено в виде двух технологических гидродомкратов (ГД), а технологические и испытываемый ГД закреплены на разных плечах коромысла, и может быть использована при испытаниях ГД различных типоразмеров при нормальных, повышенных (+70°С) и пониженных (-40°С) температурах.
В состав некоторых стартовых комплексов (СК) входят опорные фермы, верхняя кабель-мачта и мачта обслуживания. Во время подготовки к старту ракет-носителей эти элементы переводятся из исходного состояния (наклонного) в рабочее (вертикальное) путем поворота вокруг своих осей вращения за счет усилий, создаваемых ГД. Максимальные усилия, создаваемые ГД опорных ферм и мачты обслуживания действующих СК, достигают величины порядка 45 тc при величине рабочего хода его плунжера относительно нижней опоры ГД около 1 м.
Для определения работоспособности созданных ГД, в том числе и вновь разработанных, необходимо провести их стендовые испытания при натурных условиях нагружения.
Известен стенд для испытаний ГД СК при натурных условиях нагружения, содержащий вертикальный силовой каркас, закрепленный на основании, на котором установлены подставки для крепления нижних опор ГД, при этом на верху каркаса в подшипниковом узле закреплено коромысло, на котором установлены узлы крепления верхних опор ГД, средство создания усилия нагружения на испытываемый ГД в виде одного или двух технологических ГД, и гидравлическую систему (ГС) для подсоединения к гидравлическим полостям технологических и испытываемого ГД, при этом подставки для крепления нижних опор ГД размещены с разных сторон силового каркаса, а узлы крепления верхних опор ГД размещены на консольных участках коромысла (см. патент РФ на полезную модель №96624, МПК F15В 19/00, 2010 г.).
Для обеспечения натурных условий нагружения испытываемого ГД на известном стенде разработана ГС, обеспечивающая управление работой технологическими и испытываемым гидродомкратами, в которую входят емкость с рабочей жидкостью, источник высокого давления в виде насоса, фильтр, предохранительный клапан, датчики давления, регулятор давления, система управления, ПЭВМ и запорно-регулирующая арматура и трубопроводы обвязки, при этом электрические выходы датчиков давления, перемещения, регулятора давления и запорно-регулирующей арматуры соединены с системой управления и ПЭВМ, а гидравлические полости гидродомкратов сообщены трубопроводами через запорно-регулирующую арматуру с выходом насоса и сливом в емкость, причем регулятор давления установлен на трубопроводе, соединяющем нагнетающие полости гидродомкратов с емкостью, при этом датчики давления установлены на трубопроводах подачи-слива рабочей жидкости в подпоршневые полости гидродомкратов (см. патент РФ на полезную модель №96624, МПК F15В 19/00, 2010 г.).
В связи с тем, что технологические гидродомкраты, которые используются в качестве средства создания усилия нагружения на испытываемый ГД, являются высоко нагруженными узлами стенда, особенно при испытаниях гидродомкратов большой мощности, они подвергаются интенсивному износу, который может быть снижен путем использования в качестве средства создания усилия нагружения на испытываемый ГД двух технологических гидродомкратов, что обеспечит меньшие величины давления рабочей жидкости при их одновременной работе. Поэтому использование на стенде двух нагружающих технологических гидродомкратов является наиболее оптимальным при испытании гидродомкратов большой мощности.
Недостатки использования одной гидравлической системы для управления одновременно работой двумя технологическими и испытываемым гидродомкратами заключаются в следующем:
1. Низкая надежность гидравлической системы в связи с тем, что в ее состав входит один источник высокого давления в виде насоса, и при выходе его из строя проведение испытаний невозможно.
2. Большие непроизводительные затраты энергии при проведении испытаний гидродомкрата при повышенной и отрицательной температурах на стенде с ГС в камерах тепла и холода. Это связано с тем, что технологические гидродомкраты и рабочая жидкость, которая к ним должна подводиться, должны иметь температуру окружающей среды. Для этого необходимо обеспечить их термостатирование при температуре окружающей среды. Причем из-за достаточно большого объема рабочей жидкости в емкости потребуются значительные затраты энергии на ее охлаждение/нагрев. При испытании ГД при повышенной (+70°С) температуре необходимо решить задачу по недопущению нагрева электродвигателя привода насоса выше +40 С.
В целом операция по размещению стенда с ГС последовательно в климатических камерах тепла и холода - это очень сложное и трудоемкое мероприятие. Оно требует времени и дополнительной трудоемкости на демонтаж стенда и ГС, транспортировку их из испытательного зала в климатическую камеру и их монтаж там. Работы по обслуживанию стенда и проведению испытаний в условиях пониженных и повышенных температур внутри климатических камер холода и тепла связаны с дискомфортными условиями труда обслуживающего персонала.
3. Кроме того, в обеспечение Технических условий (ТУ) на испытания ГД в части обеспечения различной скорости перемещения плунжера испытываемого ГД при прямом ходе (3-5 минут на полный ход) и обратном ходе (2-3 минуты на полный ход) требуется либо применение насоса высокого давления регулируемой производительности, либо использование устройств типа делителя потока рабочей жидкости, либо установка дополнительного регулируемого дросселя для перепускания части рабочей жидкости в емкость. Насосы высокого давления регулируемой производительности очень дорогие; кроме того, они эксплуатируются (как правило) при положительных температурах рабочей жидкости и окружающей среды. Делители потока рабочей жидкости и регулируемые дроссели требуют разработки и изготовления систем управления, поскольку давление рабочей жидкости по ходу штока испытываемого ГД переменно, а, значит, будет переменным и нерегулируемый расход. Использование этих устройств усложнит управление процессом нагружения ГД в режиме реального времени.
Техническая задача, решаемая полезной моделью, заключается в создании надежного гидравлического комплекса стенда для испытаний гидродомкратов стартовых комплексов при натурных условиях нагружения в широком диапазоне заданных усилий нагружения при нормальных, повышенных и пониженных температурах, обеспечивающего при этом снижение непроизводительных затрат.
Эта задача решается тем, что в известном гидравлическом комплексе стенда для испытаний гидродомкратов стартовых комплексов при натурных условиях нагружения со средством нагружения в виде двух технологических гидродомкратов, содержащим гидравлическую систему управления испытываемым гидродомкратом, в которую входят емкость с рабочей жидкостью, с которой соединен источник высокого давления в виде насоса, фильтр, предохранительный клапан, датчик давления, установленный на трубопроводе подачи рабочей жидкости к гидроцилиндру испытываемого гидродомкрата, датчик перемещения штока испытываемого гидродомкрата, при этом фильтр и предохранительный клапан установлены на выходе насоса, а также регулятор давления, систему управления, ПЭВМ, запорно-регулирующую арматуру и трубопроводы обвязки, причем выход из насоса через предохранительный клапан и через регулятор давления соединен с жидкостной полостью емкости и через запорно-регулирующую арматуру с гидравлическими полостями испытываемого гидродомкрата, при этом электрические выходы датчиков давления и перемещения штока испытываемого гидродомкрата, регулятора давления и запорно-регулирующей арматуры соединены с системой управления и ПЭВМ, согласно полезной модели гидравлические полости испытываемого гидродомкрата соединены через дополнительный фильтр с жидкостной полостью емкости, а на линии слива из испытываемого гидродомкрата установлен регулируемый дроссель, причем технологические гидродомкраты снабжены отдельной гидравлической системой управления, аналогичной гидравлической системе управления испытываемым гидродомкратом, при этом входы регуляторов давления обеих гидравлических систем управления гидродомкратами соединены через запорно-регулирующую арматуру.
Кроме того, гидравлическая система управления испытываемым гидродомкратом и испытываемый гидродомкрат помещены в теплоизолированные кожухи, имеющие патрубки для подвода-отвода горячего воздуха и полости для загрузки-выгрузки сухого льда.
Причем в гидравлическом комплексе трубопроводы подачи и слива рабочих жидкостей из гидравлических полостей технологических и испытываемого домкратов, соединенные с соответствующими гидравлическими системами, выполнены в виде гибких рукавов высокого давления.
Причем напорные магистрали гидравлических систем соединены через регулируемые дроссели с жидкостными полостями соответствующих емкостей.
При этом в гидравлическом комплексе напорные магистрали гидравлических систем после обратных клапанов соединены через регулируемые дроссели с жидкостными полостями соответствующих емкостей.
Сущность отличий предложенного гидравлического комплекса стенда для испытаний гидродомкратов при натурных условиях нагружения заключается в следующем.
1. Соединение линий подачи и слива рабочей жидкости через регулируемые дроссели обеспечивает возможность регулировки скорости перемещения плунжера испытываемого ГД в соответствии с требованиями ТУ на испытания.
2. Введение в состав гидравлического комплекса отдельной гидравлической системы для управления нагружающими технологическими гидродомкратами обеспечивает повышение его надежности в целом, т.к. сохраняется его работоспособность при выходе из строя одного из насосов. Кроме того, наличие второй ГС позволяет существенно снизить энергетические затраты на охлаждение/нагрев испытываемого ГД, ГС и рабочей жидкости. При этом расширяются возможности гидравлического комплекса вследствие обеспечения требуемой скорости перемещения плунжера испытываемого ГД.
На чертеже изображен стенд со схемой гидравлического комплекса для испытаний ГД стартового комплекса при натурных условиях нагружения при нормальных, повышенных (+70°С±2°С) и пониженных (-40°С±2°С) температурах рабочей жидкости, элементов ГС и испытываемого ГД.
Стенд имеет основание 1, на котором установлен вертикальный силовой каркас в виде двух вертикальных стоек 2. В верхней части стоек 2 расположены подшипниковые узлы 3, в которых на оси 4 вращается коромысло 5. Средство создания усилия нагружения на испытываемый гидродомкрат 9 выполнено в виде двух технологических гидродомкратов 8.
Нижние опоры 6 и 7 технологических 8 и испытываемого 9 гидродомкратов крепятся на подставках 10 и 11, установленных на основании 1.
Верхние опоры 12 и 13 нагружающих и испытываемого гидродомкратов 8 и 9 крепятся на консолях коромысла 5, при этом опора 13 установлена с возможностью перемещения по коромыслу 5 для обеспечения крепления гидродомкратов разных типоразмеров.
Гидравлический комплекс стенда состоит из двух ГС для управления двумя нагружающими технологическими 8 и испытываемым 9 гидродомкратами соответственно.
ГС для управления испытываемым гидродомкратом 9 содержит емкость 14 с рабочей жидкостью 15, источник высокого давления в виде насоса 16, напорный фильтр 17, сливной фильтр 18, предохранительный клапан 19, обратный клапан 20, регулятор давления 21, запорные клапаны 22-25 и трубопроводы обвязки. Производительность насоса 16 определяется заданным в ТУ на испытания временем прямого хода плунжера ГД 9. Испытываемый ГД 9 соединен с ГС рукавами высокого давления 26 и 27.
ГС управления нагружающими технологическими ГД 8 выполнена аналогично и содержит емкость 28 с рабочей жидкостью 29, источник высокого давления в виде шестеренчатого насоса 30, напорный фильтр 31, сливной фильтр 32, предохранительный клапан 33, обратный клапан 34, регулятор давления 35, запорные клапаны 36-39 и трубопроводы обвязки. Производительность насоса 30 в 3-3,5 раза выше производительности насоса 16 и определяется временем обратного хода плунжера ГД 9. Нагружающие технологические гидродомкраты 8 соединены с ГС рукавами высокого давления 40 и 41.
Запорный клапан 42 соединяет гидравлические системы испытываемого 9 и нагружающих технологических 8 гидродомкратов и обеспечивает (при необходимости) работу гидравлического комплекса стенда одновременно от двух источников высокого давления или от одного любого.
Сбор измерительной информации, контроль параметров при испытании и управление испытаниями ГД осуществляется ПЭВМ через систему управления (на схеме условно не показаны). Перемещение штока ГД 9 относительно его корпуса измеряется датчиком перемещений 43; измерение давления в рабочей полости испытываемого ГД 9 осуществляется с помощью датчика давления 44, электрические выходы которых (на схеме условно не показаны) заведены в ПЭВМ. Для удобства обслуживания датчика давления 43 предусмотрен запорный клапан 44.
Для проведения испытаний ГД 9 при температуре +70°С ±2°С на его корпус, в емкость 14 и в заданные контрольные точки элементов ГС устанавливаются термопары (на чертеже условно не показаны), электрические выходы которых соединены через систему управления с ПЭВМ. На испытываемый ГД 9 устанавливают теплозащитные кожухи 50 и 53, а на гидравлическую систему управления испытываемым гидродомкратом 9 - кожух 46, входные патрубки 51 и 48 которых соединяют с источником подачи горячего газа (тепловая пушка - на чертеже условно не показана), а дренажные патрубки 54 и 49 - с атмосферой.
Кроме того, для проведения испытаний ГД 9 при температуре -40°С ±2°С в тепло-изолированных кожухах 46 и 50 предусмотрены гнезда 47 и 52 для загрузки-выгрузки кассет с гранулированным сухим льдом, обеспечивающим охлаждение рабочей жидкости, испытываемого ГД 9 и элементов его ГС до температуры -40°С ±2°С.
Электродвигатель М насоса 16 выведен за пределы теплоизолированного кожуха 46.
Выдвигающаяся часть ГД 9 закрыта гофрированным кожухом 53, снабженным дренажным патрубком 54.
Трубопроводы с регулируемыми дросселями 55 и 56, соединяющие напорные магистрали ГС с емкостями 14 и 28, обеспечивают проведение испытаний ГД 9 с регулируемой скоростью перемещения его штока.
Запорные клапаны 23-25 и 37-39, 42, обеспечивающие необходимые режимы работы ГС, управляются и контролируются ПЭВМ (электрические связи между клапанами и ПЭВМ условно не показаны).
Испытания гидродомкрата на циклическое нагружение при нормальной температуре рабочей жидкости и испытываемого ГД.
На первом этапе цикла ГД 9 испытывается на рабочую нагрузку в режиме подъема штока, при этом необходимое усилие на штоке ГД 9 обеспечивается давлением рабочей жидкости в нагружающих гидродомкратах 8. Величина давления в гидродомкратах 8 регулируется регулятором давления 35 по показаниям датчика давления 44 согласно рассчитанному ПЭВМ закону изменения усилия подъема ГД 9 по перемещению его штока, измеряемому датчиком перемещения 43.
Программа ПЭВМ выдает команду на открытие клапанов 23, 24 и 37. После их открытия включается двигатель М насоса 16, и рабочая жидкость через клапан 24 начинает поступать в рабочую полость ГД 9. Шток ГД 9 выдвигается, выдавливая из штоковой полости рабочую жидкость по рукаву 27 через открытый клапан 23 в емкость 14. Одновременно шток ГД 9 через верхнюю опору 13 воздействует на коромысло 5, заставляя его поворачиваться против часовой стрелки. При этом левый конец коромысла 5 через верхнюю опору 12 давит на штоки технологических гидро домкратов 8, повышая давление в их рабочих полостях. Часть рабочей жидкости из подпоршневых полостей ГД 8 выдавливается по рукаву 40 через регулятор давления 35 в емкость 28; остальная рабочая жидкость поступает через открытый клапан 37 и рукав 41 в штоковые полости технологических ГД 8. Регулятор давления 35 при этом поддерживает давление в рабочих полостях ГД 8 по показаниям датчика давления 44 согласно рассчитанному ПЭВМ закону изменения усилия подъема ГД 9 по перемещению его штока, измеряемому датчиком перемещения 43.
Первый этап цикла заканчивается при достижении штоком ГД 9 крайнего выдвинутого положения. Окончание первого этапа цикла нагружения определяется по показаниям датчика перемещения 43. При этом ПВЭМ через систему управления выключает насос 16, закрывает клапаны 23, 24 и 37 и регулятор давления 35.
На втором этапе цикла ГД 9 испытывается на рабочую нагрузку в режиме опускания штока, при этом необходимое усилие на штоке ГД 9 обеспечивается давлением рабочей жидкости в ГД 9. Величина давления в ГД 9 регулируется регулятором давления 21 по показаниям датчика давления 44 согласно рассчитанному ПЭВМ закону изменения усилия опускания ГД 9 по перемещению его штока, измеряемому датчиком перемещения 43. Испытания проводятся таким же образом, как и на первом этапе цикла.
Программа ПЭВМ выдает команду на открытие клапанов 23, 37 и 38. После их открытия включается двигатель насоса 30, и рабочая жидкость через клапан 38 и рукав 40 начинает поступать в рабочие полости гидродомкратов 8. Штоки гидродомкратов 8 выдвигаются, выдавливая из штоковых полостей рабочую жидкость по рукаву 41 через открытый клапан 37 в емкость 28. Одновременно штоки гидродомкратов 8 через верхние опоры 12 воздействует на коромысло 5, заставляя его поворачиваться по часовой стрелке. При этом правый конец коромысла 5 через верхнюю опору 13 давит на шток ГД 9, повышая давление в его рабочей полости. Часть рабочей жидкости выдавливается по рукаву 26 через регулятор давления 21 в емкость 14; остальная рабочая жидкость поступает через открытый клапан 23 по рукаву 27 в штоковую полость ГД 9. Регулятор давления 21 при этом поддерживает давление в рабочей полости ГД 9 по показаниям датчика давления 44 согласно рассчитанному ПЭВМ закону изменения усилия опускания ГД 9 по перемещению его штока, измеряемому датчиком перемещения 43.
Второй этап цикла заканчивается при достижении штоком ГД 9 крайнего нижнего положения. Окончание второго этапа цикла нагружения определяется по показаниям датчика перемещения 43. При этом ПВЭМ через систему управления выключает насос 30, закрывает клапаны 23, 37 и 38 и закрывает регулятор давления 21.
Испытания ГД при температуре ГД и рабочей жидкости +70°С ±2°С.
Элементы стенда, гидравлического комплекса и гидродомкраты 8 и 9 находятся в исходном положении для начала испытаний на циклическое нагружение при испытании ГД 9 при нормальной температуре. При этом ГС и испытываемый ГД 9 подготовлены для проведения испытаний ГД 9 при температуре +70°С ±2°С.
Включается тепловая пушка, и горячий воздух продувает полости кожухов 46, 50 и 53. Во время нагрева производится постоянная циркуляция рабочей жидкости по внутренним полостям ГД 9, которая обеспечивает теплоперенос и примерное равенство температуры в контрольных точках. Циркуляция рабочей жидкости во внутренних полостях ГД 9 обеспечивается выдвижением/втягиванием штока ГД 9. При этом ГД 9 и элементы его гидравлической системы управления нагреваются до заданной температуры, а технологические ГД 8 и элементы их гидравлической системы управления находятся при температуре окружающего воздуха.
При достижении рабочей жидкостью, элементами ГС и ГД 9 температуры +71…+72°С производятся испытания на циклическое нагружение в соответствии с изложенной выше методикой испытаний ГД 9 при нормальной температуре.
Испытания ГД при температуре ГД и рабочей жидкости -40°С ±2°С.
Исходное положение элементов стенда, ГС и ГД аналогично проведению испытаний при повышенной температуре.
В полости кожухов 46 и 50 устанавливаются кассеты 47 и 52 с гранулированным сухим льдом.
Далее работы по подготовке и проведению испытаний ГД 9 при температуре -41…-42°С проводятся также, как и при температуре +71…+72°С.
Испытания ГД при одном источнике высокого давления.
Гидравлический комплекс позволяет реализовать нагружение ГД 9 при одном работающем насосе любой ГС. Указанный режим работы ГС может оказаться востребованным при выходе из строя одного из насосов, а также при необходимости повысить/понизить скорость перемещения штока ГД 9 в режиме выдвижения/опускания штока. Испытания ГД 9 при одном источнике высокого давления реализуются путем открытия клапана 42. В остальном методика проведения испытаний ГД 9 при нормальной температуре аналогична рассмотренной выше. При неработающем насосе 16 необходимое давление и расход рабочей жидкости в гидравлическом комплексе создаются насосом 30, и наоборот.
Испытания ГД с регулируемой скоростью перемещения штока.
Гидравлический комплекса позволяет реализовать нагружение ГД 9 с любой наперед заданной скоростью перемещения штока (в пределах максимального реализуемого насосами 16 и 30 расхода). Заданная скорость может быть как постоянной, так и переменной по перемещению штока испытываемого ГД 9.
Для реализации нагружения ГД 9 в режиме выдвижения штока с заданной скоростью часть потока рабочей жидкости из насоса 16 при открытом дросселе 55 перепускается в емкость 14; тем самым скорость выдвижения штока ГД 9 уменьшается. Степень открытия дросселя 55 изменяется и контролируется во время выполнения всего хода выдвижения ПЭВМ.
Для реализации нагружения ГД 9 в режиме опускания штока с заданной скоростью часть потока рабочей жидкости из насоса 30 при открытом дросселе 56 перепускается в емкость 28; тем самым скорость опускания штока ГД 9 уменьшается. Степень открытия дросселя 56 изменяется и контролируется во время выполнения всего хода выдвижения ПЭВМ.
Испытания ГД при двух одновременно работающих источниках давления (насосах).
Гидравлический комплекс позволяет при необходимости увеличить скорость перемещения плунжера испытываемого ГД 9 до величины, определяемой суммарной производительностью насосов 16 и 30. Испытания в этом случае производятся при открытом клапане 42. Далее испытания производятся аналогично рассмотренному выше случаю испытаний ГД при одном источнике высокого давления с присущими этому случаю особенностями проведения испытаний.
Использование при испытаниях двух одновременно работающих источников давления позволяет также реализовать испытания ГД с регулируемой скоростью перемещения штока в соответствии с описанной выше методикой.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет повысить надежность работы гидравлического комплекса за счет введения второй гидравлической системы, расширить его функциональные возможности, а также проводить испытания ГД, входящих в состав стартовых комплексов, при нормальных, повышенных и пониженных температурах в соответствии с требованиями ТУ на испытания в условиях натурного нагружения при обеспечении широких пределов регулирования давления и скорости перемещения штока испытываемого ГД.