Проектирование универсального контейнера для транспортирования и хранения

Проектирование универсального контейнера для транспортирования и хранения малых космических аппаратов ...

Введение. 3
Обзор перспективных малых КА российского производства 3
Разработка ТЗ на проектирование контейнера под МКА 22
Прочностной расчет такелажных точек 29
Тепловой расчет стенок контейнера и теплового режима внутри контейнера 39
Испытательная часть 56
Экономическая часть 60
Охрана труда и окружающей среды 76
Список литературы 99

Одной из важных тенденций развития космической техники является создание малых космических аппаратов (МКА). Первые МКА появились как опытные образцы университетских разработок, используемые либо как средство приобретения опыта в создании и эксплуатации космической техники, либо как инструмент для отработки новых инженерных и технологических решений. Однако уже в конце прошлого и начале этого столетия благодаря новейшим достижениям в электронике и других областях науки и техники, приведшим к возможности миниатюризации практически всех служебных систем КА без ущерба для их функциональных качеств, появилась возможность использовать малые космические аппараты для решения достаточно сложных научных и прикладных задач. При этом относительно небольшая стоимость создания отдельного МКА вместе с во зможностью организации группового запуска нескольких таких аппаратов позволяет значительно снизить стоимость реализации различных космических проектов. Кроме того, стало возможным, находясь в рамках ограниченного финансирования, создать и вывести на орбиту вместо одного большого (тяжелого) КА группировку малых космических аппаратов, предназначенных для решения общей задачи. Применение таких группировок позволяет сделать скачок в качестве услуг, предоставляемых на основе использования космических средств, прежде всего, значительно повышая их оперативность

Пенополиуретан – λ=0,035 Вт/(м×К);
Алюминий – λ=210 Вт/(м×К);
Сталь 3сп – λ=58 Вт/(м×К).
Разница температур между температурой окружающей среды и температурой внутри контейнера (293 º К) равна:
зимой - 60º К;
летом - 30 º К.
Габаритные размеры для расчёта площади стенок контейнера:
ширина – 2,364м;
длина – 4,084м;
высота – 2,320м.
Расчёт передней стенки контейнера(1):
толщина слоев стенки контейнера:
Пенополиуретан – δ=0,08 м;
Алюминий – δ=0,002 м;
Сталь 3сп – δ=0,002 м.
площадь стенки:
F=2,364×2,32=5,484 м2;
термическое сопротивление теплопроводности:
летний режим эксплуатации:
уравнение теплового баланса:
Qизл-Qотр-Qкон-Qтп=0
расчёт теплового потока проходящего через стенку:
плотность теплового потока:
тепловые потери за счёт теплопроводности:
Вт
тепловые потери за счёт тепловых мостов:
Вт
тепловые потери за счёт негерметичности:
Вт
общие теплопотери:
Вт
зимний режим эксплуатации:
плотность теплового потока:
тепловые потери за счёт теплопроводности:
Вт
тепловые потери за счёт обдува передней стенки ветром (+10º к разнице температур):
Вт
тепловые потери за счёт тепловых мостов:
Вт
тепловые потери за счёт негерметичности:
Вт
общие теплопотери:
Вт
Расчёт задней стенки контейнера (2):
толщина слоев стенки контейнера:
Пенополиуретан – δ=0,08 м;
Алюминий – δ=0,002 м;
Сталь 3сп – δ=0,002 м.
площадь стенки:
F2=2,364×2,32=5,484 м2;
термическое сопротивление теплопроводности:
летний режим эксплуатации:
плотность теплового потока:
тепловые потери за счёт теплопроводности:
Вт
тепловые потери за счёт тепловых мостов:
Вт
тепловые потери за счёт негерметичности:
Вт
общие теплопотери:
Вт
зимний режим эксплуатации:
плотность теплового потока:
тепловые потери за счёт теплопроводности:
Вт
тепловые потери за счёт тепловых мостов:
Вт
тепловые потери за счёт негерметичности:
Вт
общие теплопотери:
Вт
Расчёт правой стенки контейнера (3):
толщина слоев стенки контейнера:
Пенополиуретан – δ=0,04 м;
Алюминий – δ=0,002 м;
Сталь 3сп – δ=0,002 м.
площадь стенки:
F3=4,084×2,32=9,475 м2;
термическое сопротивление теплопроводности:
летний режим эксплуатации:
плотность теплового потока:
тепловые потери за счёт теплопроводности:
Вт
тепловые потери за счёт тепловых мостов:
Вт
тепловые потери за счёт негерметичности:
Вт
общие теплопотери:
Вт
зимний режим эксплуатации:
плотность теплового потока:
тепловые потери за счёт теплопроводности:
Вт
тепловые потери за счёт тепловых мостов:
Вт
тепловые потери за счёт негерметичности:
Вт
общие теплопотери:
Вт
Расчёт левой стенки контейнера (4):
толщина слоев стенки контейнера:
Пенополиуретан – δ=0,04 м;
Алюминий – δ=0,002 м;
Сталь 3сп – δ=0,002 м.
площадь стенки:
F4=4,084×2,32=9,475 м2;
термическое сопротивление теплопроводности:
летний режим эксплуатации:
уравнение теплового баланса:
Qизл-Qотр-Qкон-Qтп=0
расчёт теплового потока проходящего через стенку:
плотность теплового потока:
тепловые потери за счёт теплопроводности:
Вт
тепловые потери за счёт тепловых мостов:
Вт
тепловые потери за счёт негерметичности:
Вт
общие теплопотери:
Вт
зимний режим эксплуатации:
плотность теплового потока:
тепловые потери за счёт теплопроводности:
Вт
тепловые потери за счёт тепловых мостов:
Вт
тепловые потери за счёт негерметичности:
Вт
общие теплопотери:
Вт
Расчёт верхней стенки контейнера (5):
толщина слоев стенки контейнера:
Пенополиуретан – δ=0,08 м;
Алюминий – δ=0,002 м;
Сталь 3сп – δ=0,002 м.
площадь стенки:
F4=4,084×2,364=9,655 м2;
термическое сопротивление теплопроводности:
летний режим эксплуатации:
уравнение теплового баланса:
Qизл-Qотр-Qкон-Qтп=0
расчёт теплового потока проходящего через стенку:
плотность теплового потока:
тепловые потери за счёт теплопроводности:
Вт
тепловые потери за счёт тепловых мостов:
Вт
тепловые потери за счёт негерметичности:
Вт
общие теплопотери:
Вт
зимний режим эксплуатации:
плотность теплового потока:
тепловые потери за счёт теплопроводности:
Вт
тепловые потери за счёт тепловых мостов:
Вт
тепловые потери за счёт негерметичности:
Вт
общие теплопотери:
Вт
Расчёт нижней стенки контейнера (6):
толщина слоев стенки контейнера:
Пенополиуретан – δ=0,08 м;
Алюминий – δ=0,002 м;
Сталь 3сп – δ=0,002 м.
площадь стенки:
F4=4,084×2,364=9,655 м2;
термическое сопротивление теплопроводности:
летний режим эксплуатации:
плотность теплового потока:
тепловые потери за счёт теплопроводности:
Вт
тепловые потери за счёт тепловых мостов:
Вт
тепловые потери за счёт негерметичности:
Вт
общие теплопотери:
Вт
зимний режим эксплуатации:
плотность теплового потока:
тепловые потери за счёт теплопроводности:
Вт
тепловые потери за счёт тепловых мостов:
Вт
тепловые потери за счёт негерметичности:
Вт
общие теплопотери:
Вт
Общие тепловые потери контейнера:
летний режим эксплуатации:
Вт
зимний режим эксплуатации:
Вт
У системы термостатирования должен быть запас минимум 50% от тепловых потерь контейнера => мощность системы термостатирования:
W=3,042×1,5≈5 кВт
Требуемый расход воздуха системы термостатирования
, м3/с
Q – тепловые потери контейнера;
ρ – плотность воздуха, ρ=1,2 кг/м3;
СР – удельная теплоёмкость воздуха, СР=1 кДж/кг×К;
- заданный перепад температур воздуха в объекте, определяемый как разность между температурой на входе в систему термостатирования (283ºК) и на выходе из неё (303ºК), =20ºК.
м3/с=468 м3/ч
Испытательная часть
Рис.23. Схема деления испытаний контейнера.
Приемо-сдаточные испытания (ПСИ) проводят с целью контроля соответствия изделий (партий продукции) требованиям ТУ, установленным для данной категории испытаний, а также контрольному образцу (если он предусмотрен в ТУ на изделий) или образцу-эталону (при его наличие) для определения возможности приёмки продукции.
Предъявительские испытания проводятся в объёме приемо-сдаточных испытаний.
Типовые испытания поводят с целью оценки эффективности предлагающихся изменений в изделие и целесообразности их внесения в конструкцию, технологию или рецептуру изготовления, которые могут повлиять на тактико-технические характеристики изделия и (или) его эксплуатацию, включая безопасность воздействия на личный состав и окружающую среду.
Периодические испытания проводят с целью: периодического контроля качества продукции; контроля стабильности технологического процесса в период между предшествующими и очередными испытаниями; подтверждения возможности продолжения изготовления продукции по действующей конструкторской (включая ТУ на изделие), технологической документации и НД и её приёмке.
Подробно рассмотрим приёмо-сдаточные испытания контейнера.
Объект испытаний.
ПСИ подвергается опытный образец контейнера МКА-8901-0, изготовленный ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина» Московская область г. Химки по конструкторской документации, разработанной ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина» в соответствии с техническим заданием.
Контейнер предназначен для хранения малых космических аппаратов, а также их транспортирования железнодорожным, автомобильным и воздушным транспортом.
Контейнер состоит из:
основания с теплоизоляционным покрытием;
крышки с теплоизоляционным покрытием;
системы термостатирования;
системы регистрации виброперегрузок;
узлов уплотнения разъема основания и крышки;
элементов крепления крышки к основанию;
такелажных узлов для подъема крышки, а также пустого и загруженного контейнера;
узлов для крепления контейнера на железнодорожном, автомобильном и воздушном транспорте;
силикагелевых осушителей;
дренажного устройства;
ящиков для документов, запасных частей, инструментов и принадлежностей (ЗИП).
Цели и задачи испытаний.
ПСИ контейнера проводятся с целью проверки соответствия опытного образца контейнера требованиям ТЗ, определения полноты и правильности КД и ЭД и его работоспособности.
Задачи ПСИ:
проверка внешнего вида и соответствий чертежам;
проверка комплектности и состава контейнера;
определение массы тары контейнера;
проверка основных размеров контейнера;
проверка возможности, безопасности и удобства погрузки, закрепления, раскрепления и выгрузки изделия;
проверка достаточности зазоров между выступающими частями макета и внутренними контурами контейнера;
проверка установки (снятия) крышки контейнера на основание;
проверка прочности такелажных узлов;
проверка прочности узлов швартовки;
проверка прочности узлов крепления изделия в контейнере;
определение действительных эксплуатационных перегрузок на изделии в процессе автомо­бильного транспортирования;
проверка чистоты внутренней полости контейнера;
проверка коэффициента теплопередачи стенок контейнера;
проверка автоматического поддержания температуры и относительной влажности в контейнере;
проверка автономности работы СТС;
проверка возможности доступа для установки для установки и замены датчиков системы регистрации виброперегрузок;
проверка установки (снятия) и крепления контейнера на средствах транспортирования.
Место и условия проведения испытаний.
ПСИ проводятся на территории ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина» (цеховая площадка с воздушной магистралью).
Испытания проводятся при существующих на момент проведения климатических условиях в пределах требований ТЗ.
Время проведения ПСИ определяется графиком испытаний, разработанным ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина» и утвержденным комиссией по проведению испытаний.
Методика проверки прочности такелажных узлов.
1. Провести определение массы контейнера (GК).
2. Снять крышку контейнера.
3. Установить груз Р1 (см. рисунок 24).
4. Закрыть крышку контейнера.
5. Присоединить траверсу к такелажным узлам 2, 3, 4, 5 на крышке контейнера.
6. С помощью цехового подъемного крана и траверсы поднять контейнер на высоту 200-300 мм. Выдержка 5 минут.
7. Опустить контейнер, отсоединить траверсу.
8. Провести визуальный осмотр такелажных узлов контейнера.
Рис.24. Методика проверки прочности такелажных узлов.
Методика проверки прочности узлов швартовки.
1. Раскрепить основание контейнера согласно рисунку 25.
2. Приложить одновременно нагрузки Р1, Р2, Р3.
3. Снять нагрузки и провести осмотр швартовочных узлов контейнера.
4. Приложить одновременно нагрузки Р’1, Р’2, Р3.
5. Снять нагрузки и провести осмотр швартовочных узлов контейнера.
Рис.25. Методика проверки прочности узлов швартовки.
Методика проверки прочности узлов крепления изделия в контейнере.
1. Установить и закрепить с помощью штатного крепления технологические опоры 1.
2. Провести нагружение опор, для чего одновременно приложить Р1, Р2, Р3.
3. Снять нагрузки и провести осмотр узлов крепления изделия в контейнере.
4. Провести нагружение опор, для чего одновременно приложить Р’1, Р’2, Р3.
5. Снять нагрузки и провести осмотр узлов крепления изделия в контейнере.
Рис.26. Методика проверки прочности узлов крепления изделия в контейнере.
Методика проверки действительных эксплуатационных перегрузок на изделии в процессе автомо­бильного транспортирования.
1. Протяженность маршрута испытаний – не менее 100 км по шоссейным дорогам.
2. Скорость движения автопоезда:
– до 40 км/ч по шоссейным дорогам;
– на поворотах – до 5 км/ч (при максимальном поперечном уклоне дороги на повороте – не более 60).
3. Маршрут движения, схему формирования автоколонны определяет комиссия по проведению испытаний.
4. Измерение ускорений в местах установки датчиков производить на всем пути следования при следующих маневрах:
1) трогание с места;
2) набор скорости до максимальной;
3) движение по прямому участку пути с различными скоростями;
4) движение по криволинейному участку пути;
5) при торможении с максимальной скорости до остановки.
5. Через каждые 10-15 км пути производить внешний осмотр элементов крепления контейнера полуприцепе Р-9206-10 с целью обнаружения приз­наков ненадежности крепления.
Методика проверки коэффициента теплопередачи стенок контейнера.
1. Установить в контейнере нагреватели и датчики замера температуры внутри и снаружи контейнера согласно схеме, представленной на рис 27.
2. Подключить нагреватели к источнику электропитания через счетчики расхода электроэнергии, а датчики замера температуры – к вторичному прибору (измерительному мосту, термостанции). Приборы контроля должны располагаться снаружи контейнера.
3. Вывод проводов из контейнера производить через штуцера. После прокладки проводов отверстие уплотнить пенополиуретаном.
4. Закрыть заглушку на лючке для выравнивания давления.
5. До начала испытаний записать показания счетчика расхода электроэнергии и датчиков температуры.
6. Включить нагреватели, отметив время включения.
7. При достижении стационарного режима теплопередачи, определяемого относительным постоянством температур внутри и снаружи контейнера, через каждый час снимать показания счетчика электроэнергии и датчиков температуры воздуха с записью результатов замеров в таблицу.
Время стационарного режима теплопередачи должно быть не менее 8 ч, при этом перепад температур внутри и снаружи контейнера должен быть не менее 25º К, а температура воздуха внутри контейнера не должна превышать 50 º К.
Включение или выключение нагревателей в период стационарного режима теплопередачи не допускается.
8. При помощи тепловизора определить места возможной утечки тепловой энергии.
Коэффициент теплопередачи ограждений вычислить по формуле
Вт/(м2×К) где,
N – количество электроэнергии за период стационарного режима теплопередачи, Вт×ч;
τ – период стационарного режима теплопередачи, ч, τ=8ч;
F – площадь поверхности ограждений контейнера, м2;
tB – среднеарифметическая температура воздуха в контейнера за время τ, ºК;
tB – среднеарифметическая температура воздуха снаружи контейнера за время τ, ºК.
9. Произвести оценку результатов испытания.
10. Коэффициент теплопередачи ограждений контейнера не должен превышать 1,1 Вт/(м2×К).
Рис.27. Методика проверки теплопередачи стенок контейнера.
Экономическая часть
В организационно-экономической части дипломного проекта проведем построение сетевого графика разработки, изготовления и сдачи в эксплуатацию универсального контейнера для транспортирования и хранения малых космических аппаратов (МКА), проведем оценку требуемых затрат средств и времени. Для организации разработки большое распространение получил метод сетевого планирования и управления.
Для выполнения работ по заданной теме сетевая модель разбивается на отдельные, четко определенные работы и отражает логическую взаимосвязь и параметры всех работ и событий разработки.
Планирование работ с применением сетевого метода осуществляется в следующей последовательности:
1. составление перечня всех работ;
2. определение продолжительности работ;
3. составление сетевого графика;
4. расчет основных параметров сетевого графика;
5. определение критического пути;
6. анализ сетевого графика и его оптимизация.
1 Метод сетевого планирования
Метод сетевого планирования, который представляет собой метод календарного планирования, позволяет решать следующие задачи:
1. четкое разделение обязанностей и ответственности каждого исполнителя;
2. устанавливает связь между отдельными работами в сложных проектных к производственных программах;
3. повышение эффективности плана выполнения работ в целом.
Сетевая модель изображается в виде единого сетевого графика, который состоит из безмасштабных стрелок, обозначающих те или иные работы, и кружков, характеризующих свершение отдельных, вполне конкретных событий, отражающих результаты выполнения работ.
Понятие «работа» в сетевом графике означает процессы или их совокупность, требующие для своего выполнения времени, ресурсов и ожидания, связанных с соблюдением определенных технологических перерывов.
В соответствии с данными таблицы состава работ, проводится построение и расчет сетевого графика.
Работы иа сетевом графике изображаются прямыми линиями, соединяющие начальные и конечные события.
Событие - это факт получения конечного результата одной или нескольких предшествующих работ и готовности к выполнению непосредственно следующих за ними работ.
Критический путь - непрерывная последовательность событий и работ, идущих от начального события, которая соответствует наибольшим затратам времени для достижения конечного события.
События изображаются овалами, разделенными на 4 сегмента. В верхнем сегменте проставляется индекс события. Так же по каждому событию рассчитываются ранние и поздние сроки его свертывания, соответственно разница между этими сроками характеризует имеющийся резерв времени, значение которого приводится в нижнем сегменте.
1.1 Расчет раннего и позднего сроков свершения событий
Зная продолжительность работ и длину критического пути для любого события, можно определить наиболее ранний из возможных сроков свершение событий и наиболее поздний из допустимых сроков свершения событий.
Наиболее ранний срок свершения событий tр(i) - срок, необходимый для выполнения всех работ, предшествующих данному событию.
Расчет ранних сроков свершения событий ведется последовательно, начиная с исходного события. Причем для исходного события ранний срок принимается равным нулю. Для каждого события рассматриваются все работы заканчивающиеся этим событием. И для каждой из рассматриваемых работ раннему сроку свершения предыдущего события прибавляется продолжительность этой работы, и из полученных результатов выбирается максимальное, которое является ранним сроком свершения события.
Наиболее поздний срок свершения событий tп(i) — это такой срок свершения события, превышение которого вызовет аналогичную задержку наступления завершающего события.
Расчет поздних сроков свершения событий ведется последовательно, начиная с завершающего. Завершающее событие принимается равным наибольшей продолжительности работы, которая лежит на критическом пути. Рассматриваются все работы, для которых это событие является завершающим. И для каждой работы из значения позднего свершения события вычитается эта работа, из полученных значений выбирается минимальное. Это значение и является поздним сроком свершения события.
Разница между длиной критического пути и длиной любого другого полного пути называется полным резервом времени пути. Резерв времени события показывает, на какой предельно допустимый период времени можно задержать свершение этого события, не вызывая при этом изменения общего срока создания объекта.
1.2 Построение, расчет и анализ сетевого графика
Для построения сетевого графика необходимо составить таблицу с перечнем всех событий и работ.
1.3 Работы по созданию универсального контейнера
1. Получение задания на создание универсального контейнера для транспортирования и хранения МКА.
2. Разработка, согласование и выпуск технического задания (ТЗ) на контейнер.
3. Разработка эскизного проекта, в том числе разработка и согласования перечня конструкторской документации (КД), и его обсуждение на уровне главного конструктора (корректировка, уточнение, планирование сроков изготовления).
4. Планирование работ для конструкторских отделов, технологических служб (составление план-графика).
5. Выпуск конструкторской документации.
6. Технологическая проработка и корректировка КД по результатам технологической проработки.
7. Планирование заданий цехам-изготовителям и подготовка производства для изготовления деталей по чертежам (составление производственного план-графика).
8. Заказы покупного оборудования (многоканального измерительного комплекса, устройства мониторинга внешних воздействий) в службе отдела снабжения.
9. Изготовление готовых изделий (сборочных единиц, деталей) из цехов и проверка их на соответствие чертежам.
10. Получение покупного оборудования (многоканального измерительного комплекса, устройства мониторинга внешних воздействий).
11. Проверка характеристик покупного оборудования (входной контроль).
12. Сборка универсального контейнера из изготовленных в цехах сборочных единиц и деталей и включение в контейнер всего покупного оборудования.
13. Проведение предварительных испытаний (ПИ) контейнера согласно программе и методике испытаний.
14. Доработка опытного образца контейнера и корректировка КД по результатам ПИ (при необходимости).
15. Присвоение КД литеры «О».
16. Сдача контейнера в эксплуатацию с составлением акта и соответствующими отметками в паспорте на контейнер.
Составим таблицу, в которой обобщаются исходные данные и принятые решения по определению состава работ, включаемых в сетевой график, последовательности и взаимосвязи их выполнения.
Содержание работ
Таблица 4.
№ начального и конечного событий
Наименование работы
Продолжитель-
ность работы
(в чел.
часах)
1
2
Получение задания на создание универсального контейнера для транспортирования и хранения МКА
4
2
3