WWW.KONF.X-PDF.RU
БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Авторефераты, диссертации, конференции
 

«ЕМКОСТНЫЕ ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ С ПОВЫШЕННОЙ НАДЕЖНОСТЬЮ ДЛЯ ИНФОРМАЦИОННОИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ И УПРАВЛЯЮЩЕЙ СИСТЕМЫ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ...»

На правах рукописи

ФРОЛОВ Михаил Алексеевич

ЕМКОСТНЫЕ ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ С ПОВЫШЕННОЙ

НАДЕЖНОСТЬЮ ДЛЯ ИНФОРМАЦИОННОИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ И УПРАВЛЯЮЩЕЙ СИСТЕМЫ

ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Специальность 05.11.16 – Информационно-измерительные

и управляющие системы (приборостроение)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени



кандидата технических наук

ПЕНЗА 2015

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» на кафедре «Информационно-измерительная техника и метрология».

Научный руководитель – доктор технических наук, доцент Трофимов Алексей Анатольевич

Официальные оппоненты: Мелентьев Владимир Сергеевич, доктор технических наук, профессор, Самарский государственный технический университет, заведующий кафедрой «Информационноизмерительная техника»;

Ураксеев Марат Абдуллович, доктор технических наук, профессор, Уфимский государственный авиационный технический университет, профессор кафедры «Информационно-измерительная техника»

Ведущая организация – Пензенский государственный технологический университет, г.

Пенза

Защита диссертации состоится 22 декабря 2015 г., в 12 часов, на заседании диссертационного совета Д.212.186.02 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» по адресу:

г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» и на сайте http://dissov.pnzgu.ru/ecspertiza/frolov Автореферат разослан «____» ____________ 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Светлов Анатолий Вильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современное развитие специальной техники, к которой относят ракетно-космическую технику (РКТ), вооружение и военную технику, авиацию, двигателестроение, изделия для атомной энергетики и т.п., во многом зависит от технического уровня информационно-измерительных и управляющих систем (ИИУС), качество и технико-экономические показатели которых определяются использованной в них датчикопреобразующей аппаратурой (ДПА). В специальной технике ДПА эксплуатируется при воздействии большого количества дестабилизирующих факторов: ударов, вибраций, линейных ускорений, акустического шума, широкого диапазона воздействующих температур. При создании сложных комплексов в настоящее время широко используются датчики давления (ДД). Они применяются во многих ИИУС специальной техники.

Практика использования ДД специального назначения в двигательных установках выдвигает перед разработчиками многообразные, зачастую противоречивые требования: точность, надежность, помехозащищенность, быстродействие, малые габаритные размеры, технологичность изготовления.

Дальнейшее развитие ДД диктует необходимость повышения их надежности, точности и одновременного уменьшения габаритных размеров. Это связано, в первую очередь, с широким использованием датчиков на подвижных объектах, где уменьшение габаритов и массы оборудования позволяет увеличить общий коэффициент полезного действия объекта и объем формируемой информации. Особенно важно это при работе датчиков в ограниченных пространствах: во внутренних полостях агрегатов, двигателей, гидроцилиндров, под обшивками летательных аппаратов, в переносных устройствах, где ограничения в габаритных размерах играют решающую роль при выборе датчика. Кроме того, снижение габаритно-весовых показателей ведет к уменьшению энергопотребления и материалоемкости, однако при этом должны сохраняться метрологические характеристики датчиков.

В настоящее время разработано большое количество ДД, которые отличаются по структуре построения и методу обработки сигналов с чувствительных элементов (ЧЭ). Наибольшее распространение среди ДД получили емкостные датчики давления (ЕДД) с цифровым выходом, отличающиеся стабильностью метрологических характеристик и относительно малыми габаритами.





Большой вклад в развитие теории, проектирования и промышленного освоения ЕДД внесли приборостроительные фирмы, как отечественные (МГТУ им. Н. Баумана; Самарский государственный аэрокосмический университет; Ульяновский авиационный институт; ПГ «Метран» (г. Челябинск); АО «НИИФИ» (г. Пенза); ГК «ПРОМПРИБОР»; Всероссийский научно-производственный институт автоматики им. Н. Л. Духова; НПО «Измерительная техника» (г. Королев Московской обл.), так и зарубежные (Honeywell International, Inc, Ficher-Rоsemount, Inc, Denso Corporation (США); Yokogawa Electric Corporation, Motorola, Ins, Matsusihita Electronic Ind Co, Hitachi Ltd, Alpselectric Co Ltd (Япония). Современные методы и средства проектирования ЕДД сформировались на базе исследовательских работ и изобретений известных ученых: Д. И. Агейкина, Е. П. Осадчего, А. С. Левицкого, Л. В. Ларионова, А. И. Новикова, Е. А. Мокрова, В. П. Бухгольца, Э. Г. Тисевича, Г. П. Нуберта, Б. М. Тареева, В. А. Ацюковского, А. И. Тихонова, В. А. Тихоненкова и др.

Тем не менее существующие ЕДД не свободны от ряда недостатков, таких как:

изменение параметров датчика от температуры окружающей среды, ударов, вибраций и линейных ускорений;

недостаточная механическая надежность при воздействии дестабилизирующих факторов.

Для этого возникла необходимость разработки теоретических и конструктивных решений по созданию методик расчета надежности ЕДД с цифровым выходом, отличающихся стабильностью метрологических характеристик, относительно малыми габаритами и повышенной надежностью.

В связи с отсутствием расчетной и компьютерной моделей ЕДД с цифровым выходом необходимо разработать математическую и имитационную модели ЕДД с повышенной надежностью, обеспечивающие формирование и передачу параметров измеряемого давления в виде цифрового последовательного кода по интерфейсу 1-Wire с основной и дополнительной погрешностями измерения давления до 34,3 МПа, не превышающими ±0,15 и ±1,5 % соответственно.

Этим обусловлена актуальность темы диссертационной работы, посвященная проблеме повышения надежности, стойкости к внешним воздействующим факторам и улучшения метрологических характеристик элементов ИИУС при измерении давления в двигательной установке изделий РКТ.

Целью диссертационной работы являются исследование и разработка научно обоснованных технических решений емкостных датчиков давления повышенной надежности с улучшенными техническими и метрологическими характеристиками и информационно-измерительной управляющей системы двигательной установки РКТ.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены следующие задачи:

1) анализ способов проектирования и систематизация ДД, адаптированных для задач РКТ;

2) разработка структурной схемы ДД на основе емкостного ЧЭ, обеспечивающего стабильные выходные характеристики при воздействии на ИИУС двигательной установки давления перегрузки и температуры;

3) разработка математической и имитационной моделей ЕДД повышенной надежности, позволяющих определить выходной код, поступающий от датчика к модулю обработки информации ИИУС двигательной установки при изменении геометрических параметров чувствительного элемента датчика;

4) оценка влияния температуры и давления на параметры выходного кода ЕДД ИИУС и выработка технических решений по повышению метрологических характеристик ЕДД ИИУС;

5) разработка способа повышения надежности ЕДД, позволяющего обеспечить вероятность безотказной работы ЕДД ИИУС двигательной установки не менее 0,995;

6) проведение стендовых и натурных испытаний изготовленных опытных образцов ЕДД для подтверждения основных расчетных технических характеристик;

7) разработка и внедрение методики расчета надежности, программного обеспечения расчета выходных характеристик и настройки ЕДД для ИИУС двигательной установки на предприятии АО «НИИФИ».

Объектом исследования являются ЕДД и ИИУС двигательной установки.

Предметом исследования являются метрологические и технические характеристики ЕДД и ИИУС двигательной установки.

Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы интегрального и дифференциального исчисления, математического моделирования, метод конечных элементов, теории механики деформируемого тела. Теоретические и экспериментальные исследования проводились с использованием пакета программ MathCAD и алгоритмического языка C Sharp (Visual Studio). При проектировании конструкции датчиков применялись системы автоматизированного проектирования КОМПАС, SolidWorks Simulation и Ansys.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертационной работы подтверждена результатами экспериментальных исследований опытных образцов ЕДД, разработанных при выполнении научно-исследовательских опытно-конструкторских работ «Луна-Глоб» и «Луна-Ресурс»

по государственной программе и прямому договору с АО «НИИФИ»

(г. Пенза), результатами стендовых и натурных испытаний ИИУС двигательной установки изделий РКТ.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель ЕДД, обеспечивающая возможность корректировки выходного сигнала, поступающего к модулю обработки информации ИИУС двигательной установки за счет изменения геометрических параметров ЧЭ ЕДД.

2. Выведена функция преобразования ЕДД, позволяющая оценить влияние температуры и давления на параметры выходного кода датчика ИИУС, выработать решения по снижению основной (с ± 0,5 % до ± 0,15 %) и дополнительной (с ± 2,5 % до ± 1,5 %) погрешностей выходного кода при воздействии на ИИУС двигательной установки температуры и давления перегрузки.

3. Разработана имитационная модель ЕДД в составе ИИУС, позволяющая оценить воздействие рабочих температур, виброускорений, механических ударов, давлений перегрузки, отличающаяся возможностью подбора геометрических размеров и материалов емкостного ЧЭ ДД в зависимости от полученного значения выходного кода.

4. Разработана ИИУС двигательной установки, в узлах которой используется ЕДД повышенной надежности с улучшенными метрологическими характеристиками, что позволяет измерять давление в узлах двигательной установки до 34,3 МПа с погрешностью измерения в нормальных климатических условиях ± 0,15 % (вместо ± 0,5 % существующей ИИУС), в условиях воздействия температуры от минус 40 до 60 С ± 1,5 % (вместо ± 2,5 % существующей ИИУС).

5. Предложен способ повышения надежности ИИУС двигательной установки на основе разработанных алгоритма и методики расчета надежности ЕДД, который в отличие от ранее известных обеспечивает получение вероятности безотказной работы элементов ИИУС до 0,995 и позволяет установить основные критерии отказа ЕДД, оценить степени нагруженности и функциональной значимости каждого элемента датчика с учетом длительного воздействия на ИИУС двигательной установки температуры и давления перегрузки.

Практическая ценность работы определяется внедрением основных положений, выводов и рекомендаций, полученных при исследовании и разработке ЕДД ИИУС двигательной установки.

Практическую ценность работы представляют:

1) программное обеспечение (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014617805) в среде программирования Delphi, позволяющее проводить испытания датчиков давления ДАЕ 002, производства АО «НИФИИ»;

2) программное обеспечение (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014616447, № 2013660559, № 2014662918, № 2015617478, № 2015617432) и базы данных (свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2014621441, № 2014621265, № 2015620519 и № 2015621109) в среде программирования C Sharp, позволяющие проводить анализ и расчеты разрабатываемых конструкций ЕДД и осуществлять хранение полученных результатов;

3) результаты математического и имитационного моделирования нормализованного последовательного цифрового кода ЕДД в условиях эксплуатации и режимов его работы, позволившие получить зависимость выходного кода ЕДД от изменения давления в узлах ИИУС;

4) способ повышения надежности ЕДД для ИИУС двигательной установки, позволяющий повысить вероятность безотказной работы ЕДД до 0,995;

5) разработанные базовые конструкции датчиков абсолютного давления ДАЕ 002 для ИИУС двигательной установки изделия РКТ и разности давления ДРЕ 003 для ИИУС атомной электростанции;

6) результаты стендовых и натурных испытаний разработанных в АО «НИИФИ» унифицированных конструкций датчиков давления ДАЕ 002 и ДРЕ 003, подтвердившие практическую значимость разработанных математической и имитационной моделей и способа повышения надежности при конструировании ЕДД для ИИУС двигательной установки.

На защиту выносятся:

1) структура ИИУС двигательной установки, отличающаяся наличием ЕДД повышенной надежности с улучшенными метрологическими и техническими характеристиками, позволяющая измерять в широком диапазоне давление составных частей двигательной установки при воздействии температуры и давления перегрузки;

2) математическая модель ЕДД для ИИУС двигательной установки, которая позволяет корректировать выходной сигнал, поступающий к модулю обработки информации ИИУС двигательной установки за счет изменения геометрических параметров ЧЭ ЕДД;

3) функция преобразования ЕДД, позволяющая оценить влияние температуры и давления на параметры выходного кода ЕДД ИИУС и выработать технические решения по повышению метрологических характеристик ИИУС двигательной установки;

4) имитационная модель ЕДД, позволяющая оценить воздействие рабочих температур, виброускорений, механических ударов, давлений перегрузки, отличающаяся функцией подбора геометрических размеров и материалов емкостного ЧЭ ДД в зависимости от полученного значения выходного кода;

5) способ повышения надежности ИИУС двигательной установки, который в отличие от ранее известных обеспечивает получение вероятности безотказной работы элементов ИИУС двигательной установки до 0,995 и позволяет оценить степени нагруженности и функциональной значимости каждого элемента ЕДД ИИУС с учетом воздействия на ИИУС двигательной установки температуры и давления перегрузки;

6) конструкция ЕДД ИИУС двигательной установки, позволяющая повысить надежность ИИУС двигательной установки на 4 %, снизить массу системы на 3,9 кг и повысить точность измерения давления за счет снижения основной погрешности измерения до ±0,15 % (±0,5 % у аналога) и дополнительной погрешности от воздействия температуры и давлений перегрузки до ±1,5 % (±2,5 % у аналога).

Реализация и внедрение результатов исследований. На основе теоретических исследований и разработок в ходе выполнения работ с 2009 по 2015 г. по договорам с ФГУП «НПО им. С. А. Лавочкина» внедрен в опытное производство АО «НИИФИ» ЕДД с цифровым выходом ДАЕ 002, что подтверждено актом внедрения результатов диссертационной работы на предприятии АО «НИИФИ». Опытные образцы ЕДД используются в составе системы двигательной установки огневых и холодных испытаний двигателей РКТ, что подтверждено актом использования ЕДД в системе двигательной установки ФГУП «НПО им. С. А. Лавочкина».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских и межвузовских научно-практических и научно-технических конференциях, семинарах и симпозиумах: «Датчики и системы» (Пенза, 20112013); «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий» (Москва, 2012); ХХХХIII Всероссийский симпозиум по механике и процессам управления (Москва, 2013); «Информационноуправляющие и измерительные системы – 2013» (Королев, 2013); «Стойкость2014» (Москва, 2014); «Надежность и качество» (Пенза, 2014), «Университетское образование» (Пенза, 2015), «Метрологическое обеспечение измерительных систем – 2015» (Пенза, 2015).

Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 13 статьях и докладах, среди которых 3 публикации в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК РФ, а также 10 свидетельств о государственной регистрации программ ЭВМ и баз данных.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка используемой литературы и одного приложения. Она изложена на 165 страницах, включает 31 рисунок, 32 таблицы. Список литературы содержит 104 наименования. Приложение представлено на 13 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении дано обоснование актуальности диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследования, раскрыта практическая значимость работы, сформулированы научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен сравнительный анализ ЧЭ, используемых для построения ДД специального назначения. Проанализированы существующие виды ДД (емкостные, пьезоэлектрические, дифференциально-трансформаторные, тензорезистивные, потенциометрические, токовихревые, пьезорезистивные, волоконно-оптические, пьезорезонансные, резонансные) и выявлены наиболее перспективные для решения задач измерения давления в ИИУС изделий РКТ с высокой точностью в широком диапазоне температур и высокой надежностью при жестких условиях эксплуатации – ЕДД с цифровым выходным кодом. Сформулированы основные требования, предъявляемые к ДД для изделий РКТ: надежность, точность, малогабаритность, самодиагностика, дистанционная настройка диапазона измерений, первичная обработка измерительной информации и т.д.

Дана оценка технического уровня развития ИИУС двигательных установок и определены предъявляемые требования к конструкции и условиям эксплуатации ЕДД. Выявлено, что существующая тенденция разработки ИИУС направлена на использование в своем составе датчиков, представляющих собой электронное устройство, основанное на объединении чувствительных элементов, схем преобразования сигналов и средств микропроцессорной техники.

Патентная ситуация в области разработки ЕДД показывает, что большое внимание при разработке ДД для ИИУС изделий РКТ уделяется ЧЭ и электронным узлам. Совершенствование ЧЭ осуществляется за счет изменения конструкций и применения новых коррозионно-стойких материалов, технологий, позволяющих получать надежные прочные соединения узлов.

Совершенствование электронных узлов осуществляется путем использования цифровых методов обработки информации, математических моделей измерительного процесса с последующей формализацией их в виде микропроцессорных алгоритмов обработки информации.

В главе проведен сравнительный анализ ЕДД ведущих зарубежных и отечественных фирм с их сравнительной оценкой технического уровня по основным показателям.

Во второй главе представлены математическая и имитационная модели ЕДД ИИУС двигательной установки изделия РКТ и результаты метрологического анализа погрешностей датчиков давления.

Построение математической модели ЕДД состоит из трех этапов:

1) структурный анализ датчика – определение структуры, принципа действия датчика и выявление эффектов и взаимосвязей, реализующихся в датчике;

2) анализ задач моделирования – анализ цепи построения, определение показателей датчика и выявление связей между различными переменными будущей модели;

3) моделирование – составление математической модели и анализ полученных результатов.

Загрузка...

В качестве объекта математического моделирования выступал ЕДД моноблочного исполнения, предусматривающий размещение в общем корпусе емкостного ЧЭ и электронного преобразователя с микропроцессорной обработкой, что обеспечивает автоматизированную функцию управления процессами измерений и обработку информации. В процессе разработки конструкции ЕДД была определена схема ЕДД ИИУС двигательной установки на основе функционального объединения ЧЭ, состоящего из упругого элемента и емкостного преобразователя с тонкопленочной изоляцией электродов, и электронного преобразователя, состоящего из преобразователя емкости в код и микроконтроллера. В ЧЭ реализуется функция преобразования воздействующего измеряемого давления (Р) в прогиб упругого элемента (Wм), выполненного в виде колпачковой мембраны переменной толщины.

На рисунке 1 представлена уточненная расчетная схема ЧЭ ЕДД, где Ri – радиус колпачковой мембраны в точке на окружности мембраны, мм;

h0 – толщина мембраны в центре (Ri = 0), мм; hц – толщина цилиндрической части мембраны, мм; rм – радиус посадочного цилиндра мембраны, мм;

Rнэ – внешний радиус подвижного электрода; rнэ – внутренний радиус подвижного электрода, мм; – межэлектродный зазор, мм; м – толщина слоя металлизации, мм; д – толщина защитного слоя диэлектрика, мм; а – зазор между верхними обкладками электрода, мм; Sэ – площадь обкладки рабочей емкости, мм2; Rм – радиус колпачковой мембраны, мм; Rэ – радиус верхнего электрода, мм; – угол, формирующий ширину зазора верхнего электрода, град; – угол, формирующий радиус подвижного электрода, град. Конструктивно рабочая емкость преобразователя выполнена в виде плоского конденсатора со слоем диэлектрика толщиной д, диэлектрической проницаемостью д, рабочим межэлектродным зазором и межэлектродной средой «ЧЭ – вакуум» с диэлектрической проницаемостью и диэлектрической проницаемостью вакуума о.

–  –  –

гиб мембраны (); K – коэффициент, учитывающий удлинение цилиндрической части мембраны, Н1; D – радиальная жесткость мембраны, Н/мм.

Электронный преобразователь реализует функцию преобразования выходного кода в нормализованный последовательный двоичный выходной код датчика в пределах заданной шкалы:

K вi 1 (P ) K вi (P ) K п K пi (Сi ) K вi ( Pi ), Kв P i i (2) K пi 1 ( Pi 1 ) K пi ( Pi ) здесь Kвi (Рi) – значение выходного кода датчика при давлении Рi, единица;

i = 0…20 – номер точки градуирования; Р0 – абсолютное значение измеряемого давления, Па; Kn – двоичный код, единица; Kni(Сi) – функция преобразования «емкость – код» в последовательный 24-разрядный двоичный код, имеющая вид Kn(С) = gCi + j, где Сi – емкость конденсатора при воздействии давления Pi, пФ; g – коэффициент пропорциональности, определяющий чувствительность преобразования, единица/пФ; j – коэффициент пропорциональности, определяющий начальный уровень кода Кп, единица.

Функции преобразования (1) и (2) составляют математическую модель ЕДД путем наложения уравнений связи и рассмотрения системы ограничений и позволяют определить двоичный код в интервале от 10 до 1000 единиц (10101111101000) в зависимости от значения измеряемого давления.

Системный подход к анализу работы ЕДД позволяет рассмотреть его в виде объекта, на основной вход которого подается измеряемый параметр – давление (P), а на вспомогательные входы – комплекс влияющих величин 1, 2, 3, 4: температура, вибрации, удары, линейные ускорения соответственно. В результате с выхода ЕДД снимается информативный параметр – Y, функционально связанный с измеряемым параметром (P) и влияющими факторами (1, 2, 3, 4), а функция преобразования выходного кода имеет вид n k n b Y ( P) (k0 P b0 ) ( Р) P ( i i 0 ) (i i 0 ), (3) i 1 i i 1 i где дk/дi – мультипликативная чувствительность датчика к i-й влияющей величине (коэффициент влияния i-й воздействующей величины на коэффициент преобразования датчика); дb/дi – аддитивная чувствительность датчика к i-й влияющей величине; (P) – функция нелинейности градуировочной характеристики датчика; 1, 2, …, n – комплекс влияющих величин, единица; k0 = k(10, …, n0) – коэффициент преобразования выходного сигнала датчика 1 = 10, 2 = 20, …, n = n0, единица/МПа; b0 = b(10, …, n0) – коэффициент начального уровня при 1 = 10, 2 = 20, …, n = n0, единица;

k – коэффициент чувствительности датчика к измеряемому давлению, единица/МПа; b – начальный уровень выходного сигнала датчика, единица.

С использованием функции преобразования (3) и принципа сложения случайных погрешностей было получено выражение для определения приведенной основной погрешности ЕДД для ИИУС:

о ос tq с ос tq н г в ог, (4) здесь с – случайная приведенная составляющая основной погрешности ЧЭ;

ос, ог – систематическая и случайная составляющие погрешности средств градуирования; н – приведенная погрешность нелинейности; г – приведенная погрешность гистерезиса (вариация); в – приведенная погрешность воспроизводимости; tq – интервальный коэффициент (квантиль распределения погрешности), зависящий от вида закона распределения (характеризующегося эксцессом ) и величины доверительной вероятности Pд.

Приведенная погрешность датчика от влияния воздействующих факторов имеет вид n n n n ( Ski Soi )[ M (i ) io] tq Ski Di 2rko Ski Soi Di Soi Di, (5) i 1 i 1 i 1 i 1 где M(i) – математическое ожидание влияющей величины i во всем заданном интервале ее возможных изменений; Ski – относительная мультипликативная чувствительность к влияющей величине; Sоi – относительная аддитивная чувствительность к влияющей величине; io – значение влияющей величины, соответствующее нормальным условиям; rko – коэффициент, определяющий связь между суммарными абсолютными мультипликативной и аддитивной составляющими дисперсии от влияющих факторов;

D(i) – дисперсия влияющей величины.

На основе принятых при проектировании технических решений для имитации работы ЕДД в составе ИИУС была построена в программе SolidWorks имитационная модель ЕДД, которая описывает структуру и воспроизводит с использованием программного обеспечения Ansys и SolidWorks Simulation поведение во времени ЕДД в составе ИИУС. Полученная имитационная модель позволяет оценить воздействие температуры, механических ударов, вибрации и давления на ЕДД и определить в условиях эксплуатации ИИУС требуемые для обеспечения цифрового кода значения геометрических размеров ЧЭ ЕДД, перемещение (прогиб) жесткого центра мембраны воспринимающего элемента и собственные частоты ЧЭ ЕДД.

В третьей главе с использованием метода структурного анализа были разработаны алгоритм и методика проведения расчета надежности, на основе которых был получен способ повышения надежности ЕДД ИИУС двигательной установки.

Методика проведения расчета надежности заключается в последовательном расчете и анализе информационных показателей надежности конструкции: 1) проведение структурно-функционального анализа ЧЭ и ЭП ЕДД функциональное назначение, последствия отказа и условия работоспособности элементов конструкции; 2) расчет предела выносливости конструкции при циклическом нагружении lg(i); 3) расчет предельного коэффициента нагруженности конструкции nрф; 4) расчет коэффициентов запаса прочности элементов Кi; 5) расчет гауссовского уровня надежности элемента ЕДД i; 6) расчет вероятности неразрушения элементов конструкции Pi;

7) расчет вероятности безотказной работы ЕДД за время непрерывной работы при циклическом нагружении P(tпр).

Структурный анализ имитационной и математической моделей ЕДД позволил составить структурно-функциональную схему последовательно соединенных элементов конструкции ЕДД, определить последствия отказа, условия работоспособности каждого элемента в условиях эксплуатации ИИУС, функциональное назначение элементов конструкции 1, 2, 3, 4 (рисунок 2), а также критерии работоспособности датчика после воздействия перегрузок в виде предела прочности сварного шва сш, мембраны м, резьбы на срез [ср] и смятие см. Основным критерием отказа ЕДД в ИИУС является потеря работоспособности вследствие разгерметизации внутренней полости ЧЭ и попадания в нее компонентов контролируемой среды.

По значениям коэффициентов запаса прочности был определен гауссовский уровень надежности каждого элемента по формуле i = (Ki 1) / Ki VR, где Ki – коэффициент запаса прочности элементов конструкции ЕДД 1, 2, 3, 4;

VR – коэффициент вариации. Для каждого значения i были найдены соответствующие значения нормированной функции Лапласа Ф0i(i) и определены значения вероятностей неразрушения элементов конструкции Pi.

Рисунок 2 – Элементы конструкции ЕДД ИИУС двигательной установки:

1 – резьбовое штуцерное соединение с гнездом присоединительного затвора;

2 – сварное соединение гайки с наконечником и со штуцером; 3 – сварное соединение мембраны со штуцером; 4 – мембрана

–  –  –

где tпр – время непрерывной работы; n – количество элементов конструкции ЧЭ ЕДД; l – число учитываемых факторов; u – коэффициент качества производства аппаратуры; Ai – число изделий i-го типа; m – число типов изделий;

бсг – базовая интенсивность отказов группы электрорадиоизделия; б – исходная интенсивность отказов данного типа электрорадиоизделия; Mi – коэффициент, учитывающий изменение эксплуатационной интенсивности отказов в зависимости от различных факторов.

Для оценки безотказной работы при циклическом нагружении ИИУС был разработан алгоритм расчета надежности ЕДД с учетом длительного воздействия температуры и давления перегрузки, блок-схема которого приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Блок-схема алгоритма расчета механической надежности ЕДД для ИИУС двигательной установки С использованием математической и имитационной моделей ЕДД, алгоритма и методики расчета надежности был получен способ повышения надежности ЕДД для ИИУС двигательной установки, который заключается в последовательной корректировке параметров малонадежных элементов ЕДД (резьбовых соединений, сварных швов, ЧЭ и корпусных деталей), имитации его работы в составе ИИУС двигательной установки, математическом моделировании и расчете вероятности безотказной работы ЕДД.

Предложенный способ позволяет произвести корректировку малонадежных элементов конструкции ЕДД, обеспечить вероятность безотказной работы ЕДД ИИУС двигательной установки порядка 0,995.

В четвертой главе с целью подтверждения технических решений, принятых в ходе разработки ЕДД, и повышения технических характеристик ИИУС двигательной установки была разработана программа испытаний пяти образцов ЕДД, изготовленных на базе предприятия АО «НИИФИ».

Результаты контроля массовых параметров испытываемых образцов показали, что разработанные ЕДД имеют массу в 2 раза ниже прототипа, применяемого в ИИУС двигательной установки ЕДД производства АО «НИИФИ» – ДДА, что обеспечивает снижение массы системы на 3,9 кг.

Ряд испытаний на сохраняемость, устойчивость к воздействующим факторам, воздействие акустического шума и испытания на назначенный ресурс в соответствии с разработанными программами предварительных испытаний проводились согласно схеме испытаний, приведенной на рисунке 4.

–  –  –

Выходной цифровой нормализованный код до и после воздействия рабочих давлений, давлений перегрузки и температуры согласно приведенной схеме испытаний лежит в диапазоне от 0 до 1000 единиц в зависимости от градуировочной характеристики.

По результатам испытаний ЕДД на воздействие температуры эксплуатации от минус 40 до 60 °С на участке градуировки от 0 МПа (не более 0,1 мм рт. ст.) до 0,6 МПа (рисунок 5) была получена градуировочная характеристика до и после термокомпенсации.

Рисунок 5 – Градуировочные характеристики ЕДД до и после термокомпенсации Основная и дополнительная погрешности в условиях эксплуатации от воздействия номинального давления и температуры (рисунок 6) составили ±0,15 и ±1,5 % соответственно, что в 2 раза меньше значений датчика прототипа – ДДА.

Рисунок 6 – Графики составляющих основной и дополнительной погрешностей от воздействия на ЕДД температуры Вероятность безотказной работы за время непрерывной работы по методике расчета надежности и по результатам испытаний на назначенный ресурс составила более 0,995. Полученные результаты подтверждены предварительными испытаниями опытного образца ЕДД и двумя годами эксплуатации в составе ИИУС двигательной установки. В таблице 1 представлены технические и метрологические характеристики опытного образца ЕДД, прототипа ДДА и известных аналогов.

Таблица 1 – Технические и метрологические характеристики опытного образца ЕДД, прототипа ДДА и известных аналогов

–  –  –

Приведенные данные таблицы 1 свидетельствуют о преимуществах разработанного посредством математического и имитационного моделирования опытного образца ЕДД ИИУС двигательной установки с повышенной надежностью.

Разработанная конструкция ЕДД позволяет повысить надежность ИИУС двигательной установки на 4 %, снизить массу двигательной установки на 3,9 кг, повысить точность измерения давления за счет снижения основной погрешности измерения до ±0,15 % (±0,5 % у аналога) и дополнительной погрешности до ±1,5 % (±2,5 % у аналога).

На рисунке 7 представлена структура ИИУС двигательной установки с повышенными техническими характеристиками.

Рисунок 7 – Структура ИИУС двигательной установки

Особенностью приведенной структуры ИИУС двигательной установки является применение ЕДД повышенной надежности с улучшенными метрологическими и техническими характеристиками. За счет применения ЕДД повышенной надежности удалось адаптировать систему к условиям функционирования, характерным для изделий РКТ. Предложенная структура позволяет измерять давление в двигательной установке при воздействии температуры и давления перегрузки.

В приложении приводятся акт об использовании результатов работы и свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В результате проведенных исследований для решения задач РКТ, в частности улучшения технических характеристик ИИУС двигательной установки, разработаны и изготовлены ЕДД с повышенной надежностью и улучшенными техническими и метрологическими характеристиками для ИИУС двигательной установки.

1. Проведен сравнительный анализ патентной и научно-технической информации ДД, адаптированных для задач РКТ, который позволил получить достоверную информацию о наиболее оптимальных методах и способах проектирования ЕДД, унифицированных технических решениях ведущих отечественных и зарубежных фирм-патентообладателей и изготовителей в данной области, о внедрении технических решений в новые разработки, изучить конструкцию и технические характеристики отдельных ДД ИИУС.

2. Разработана ИИУС двигательной установки, структура которой отличается использованием в узлах системы ЕДД повышенной надежности, что позволит измерять давление в узлах двигательной установки до 34,3 МПа с повышенной точностью измерения как в НКУ (± 0,15 % вместо ± 0,5 %), так и при воздействии температуры от минус 40 до 60 С (± 1,5 % вместо ± 2,5 %).

3. Разработана математическая модель ЕДД, обеспечивающая возможность корректировки выходного сигнала, поступающего к модулю обработки информации ИИУС двигательной установки за счет изменения геометрических параметров ЧЭ ЕДД.

4. Проведена оценка влияния температуры от минус 40 до 60 С и давления до 34,3 МПа на погрешность датчика ИИУС с учетом полученной функции преобразования ЕДД, что позволило снизить основную приведенную (с ± 0,5 % до ± 0,15 %) и дополнительную (с ± 2,5 % до ± 1,5 %) погрешности при воздействии на ИИУС двигательной установки температуры и давления.

5. Разработана имитационная модель ЕДД, позволяющая оценить воздействие рабочих температур, виброускорений, механических ударов, давлений перегрузки, отличающаяся функцией подбора геометрических размеров и материалов емкостного ЧЭ ДД в зависимости от полученного значения выходного кода.

6. Предложен способ повышения надежности ИИУС двигательной установки на основе разработанных алгоритма и методики расчета надежности ЕДД, который в отличие от ранее известных обеспечивает получение вероятности безотказной работы элементов ИИУС до 0,995. Это позволяет установить основные критерии отказа ЕДД, оценить степени нагруженности и функциональной значимости каждого элемента датчика с учетом длительного воздействия на ИИУС двигательной установки температуры и давления перегрузки.

7. Предложенные технические решения позволили повысить надежность ИИУС двигательной установки на 4 %, снизить массу системы на 3,9 кг и повысить метрологические характеристики ИИУС при измерении давления в узлах двигательной установки.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Фролов, М. А. Расчет чувствительного элемента датчика абсолютного давления методом конечных элементов / М. А. Фролов, Р. Ш. Мусаев // Датчики и системы. – 2012. – № 9. – С. 32–33.

2. Фролов, М. А. Имитационное моделирование чувствительного элемента датчика давления струнного типа / М. А. Фролов, Р. Ш. Мусаев, А. А. Трофимов // Датчики и системы. – 2014. – № 7. – С. 22–25.

3. Фролов, М. А. Повышение надежности датчиков давления для эксплуатации в жестких условиях / М. А. Фролов // Датчики и системы. – 2015. – № 6. – С. 28–33.

Публикации в других изданиях

4. Фролов, М. А. Повышение метрологических характеристик информационно-измерительной управляющей системы двигательной установки / М. А. Фролов, О. А. Фролова, А. В. Салмин, Р. Ш. Мусаев // Измерение.

Контроль. Управление. Контроль. – 2015. № 3 (13). – С. 10–20.

5. Фролов, М. А. Математическая модель емкостного датчика абсолютного давления / М. А. Фролов // Надежность и качество – 2014 : тр.

Междунар. симп. 2014. Т 1. – С. 213–216.

6. Фролов, М. А. Повышение прочностных и эксплуатационных характеристик чувствительного элемента датчика абсолютного давления / М. А. Фролов, Р. Ш. Мусаев // Датчики и системы: методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации (Датчики и системы 2012) : тр. Междунар. науч-техн. конф. с элементами науч. шк.

для молодых ученых (г. Пенза, 2226 октября 2012 г.) / под ред. Е. А. Ломтева, А. Г. Дмитриенко. Пенза : Изд-во ПГУ, 2012. – С. 190–195.

7. Фролов, М. А. Повышение технических характеристик измерительной системы двигательной установки / М. А. Фролов, О. А. Фролова // Метрологическое обеспечение измерительных систем – 2015 : сб. докл.

Всерос. науч.-техн. конф. – Пенза, 2015. С. 76–85.

8. Фролов, М. А. Тепловая модель системы мониторинга и контроля / М. А. Фролов, А. С. Баранов, И. М. Рыбаков // Надежность и качество – 2014 : тр. Междунар. симп. 2014. Т. 1. – С. 208–213.

9. Фролов, М. А. Имитационное моделирование чувствительного элемента тензорезистивного датчика абсолютного давления / М. А. Фролов, Р. Ш. Мусаев, А. А. Трофимов // Измерение. Контроль. Управление. Контроль. – 2012. №2 (4). – С. 51–55.

10. Фролов, М. А. Твердотельное моделирование чувствительного элемента тензорезистивного датчика абсолютного давления / М. А. Фролов, Р. Ш. Мусаев, А. А. Трофимов // Датчики и системы: методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации (Датчики и системы 2012) : тр. Междунар. науч-техн. конф. с элементами науч. шк.

для молодых ученых (г. Пенза, 2226 октября 2012 г.) / под ред. Е. А. Ломтева, А. Г. Дмитриенко. Пенза : Изд-во ПГУ, 2012. – С. 273277.

11. Фролов, М. А. Методика расчета чувствительного элемента типа «мембрана-подушка-стакан» методом конечных элементов / М. А. Фролов, А. В. Самошин // Измерение. Контроль. Управление. Контроль. – 2013.

№ 4(6). – С. 42–45.

12. Фролов, М. А. Опыт применения CAE модуля Simulation для расчета чувствительного элемента датчика давления / М. А. Фролов, Р. Ш. Мусаев, А. В. Самошин // Механика и процессы управления : материалы ХХХХIII Всерос. симп. по механике и процессам управления. – М. : РАН, 2013. – Т. 3. С. 85–89.

13. Фролов, М. А. Повышение прочностных и эксплуатационных характеристик системы телеметрии по средствам проведения имитационного моделирования механического удара / М. А. Фролов, А. С. Баранов // Измерение. Контроль. Управление. Контроль. – 2014. № 1(7). – С. 88–92.

Свидетельства о государственной регистрации программ ЭВМ

14. Свидетельство № 2013660559. Программное обеспечение вычисления выходных характеристик датчиков давления / М. А. Фролов, Р. Ш. Мусаев, А. В. Самошин. Заявка 2013618506, от 24.09.2013; опубл. 11.11.2013.

15. Свидетельство № 2014617805. Программа автоматизированного рабочего места оператора настройки емкостных датчиков давления / М. А. Фролов, М. В. Федулеева, О. В. Тужилкин, В. А. Тихоненков. Заявка 2014615582, от 06.20.2014; опубл. 04.07.2014.

16. Свидетельство № 2014616447. Программа расчета номиналов настроечных резисторов датчика давления / М. А. Фролов, Р. Ш. Мусаев, А. А. Родионов, А. С. Суханов. Заявка 2014614183, от 05.05.2014; опубл.

24.06.2014.

17. Свидетельство № 2014621265. База данных электронной конструкторской и нормативно-технической документации / М. А. Фролов, Р. Ш. Мусаев, А. С. Суханов. Заявка 2014621000, от 17.07.2014; опубл. 10.09.2014.

18. Свидетельство № 2014621441. Автоматизированная база данных отчетной документации по имитационному моделированию / М. А. Фролов, Р. Ш. Мусаев, А. С. Суханов. Заявка 2014620932, от 08.07.2014;

опубл. 13.10.2014.

19. Свидетельство №2014662918. Программа расчета резьбовых соединений / М. А. Фролов, Р. Ш. Мусаев, А. В. Самошин, А. С. Суханов.

Заявка 2014617517, от 29.07.2014; опубл. 11.12.2014.

20. Свидетельство № 2015620519. База данных физико-механических свойств материалов / М. А. Фролов, Р. Ш. Мусаев, А. В. Самошин, А. С. Суханов. Заявка 2015620066, от 03.02.2015; опубл. 20.03.2015.

21. Свидетельство № 2015617432. Программа расчета параметров плоских и гофрированных мембран датчико-преобразующей аппаратуры / М. А. Фролов, Р. Ш. Мусаев, А. В. Самошин, А. С. Суханов. Заявка 2015614336, от 25.05.2015; опубл. 09.06.2015.

22. Свидетельство № 2015617478. Программа расчета теплового режима радиоэлектронной аппаратуры / М. А. Фролов, Р. Ш. Мусаев, И. М. Рыбаков, А. С. Суханов. Заявка 2015614319, от 25.05.2015; опубл. 13.07.2015.

23. Свидетельство № 2015621109. База данных радиоэлектронных элементов / М. А. Фролов, Р. Ш. Мусаев, И. М. Рыбаков, А. С. Суханов.

Заявка 2015620570, от 25.05.2015; опубл. 22.07.2015.

–  –  –

ЕМКОСТНЫЕ ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ С ПОВЫШЕННОЙ

НАДЕЖНОСТЬЮ ДЛЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ

И УПРАВЛЯЮЩЕЙ СИСТЕМЫ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Специальность 05.11.16 – Информационно-измерительные и управляющие системы (приборостроение)

–  –  –



Похожие работы:

«Великовский Дмитрий Юрьевич КРИСТАЛЛЫ СЕМЕЙСТВА КАЛИЙ-РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ВОЛЬФРАМАТОВ КАК МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ АКУСТООПТИКИ Специальность: 01.04.01 «Приборы и методы экспериментальной физики» АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Москва – 2015 2 -Работа выполнена в ФГБУН «Научно-технологический центр...»

«АЛИМУРАДОВ Алан Казанферович АЛГОРИТМЫ И УЗЛЫ ОБРАБОТКИ РЕЧЕВЫХ КОМАНД ПОДСИСТЕМ ГОЛОСОВОГО УПРАВЛЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ И УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ Специальность 05.11.16 – Информационно-измерительные и управляющие системы (приборостроение) Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук ПЕНЗА 2015 Работа выполнена на кафедре «Информационно-измерительная техника и метрология» Федерального государственного бюджетного образовательного...»









 
2016 www.konf.x-pdf.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, диссертации, конференции»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.