авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Совершенствование конструкций уплотнительных соеди нений с тонкостенными элементами (упругой кромкой)

На правах рукописи

БЕЛОГОЛОВ ЮРИЙ ИГОРЕВИЧ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ УПЛОТНИТЕЛЬНЫХ СОЕДИ НЕНИЙ С ТОНКОСТЕННЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ (УПРУГОЙ КРОМКОЙ) Специальность 05.02.02– Машиноведение, системы приводов и детали машин

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Братск– 2013

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Братский государственный университет» и ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения».

Научный консультант: Долотов Алексей Митрофанович доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Прикладная механика» ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный уни верситет путей сообщения»

Официальные оппоненты: Аистов Игорь Петрович доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Промышленная экология и безопасность» ФГБОУ ВПО «Омский государ ственный технический университет» (г. Омск) Тарасов Вячеслав Анатольевич кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Теоретическая и прикладная механика» ФГБОУ ВПО «Братский государствен ный университет» (г. Братск)

Ведущая организация: ОАО «Иркутский научно-исследовательский и конструкторский институт химического и нефтя ного машиностроения» (ИркутскНИИхиммаш, г. Иркутск)

Защита диссертации состоится «19» октября 2013 г. в 9-00 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д212.018.02 при ФГБОУ ВПО «Братский государственный университет» (БрГУ) по адресу: 665709, г. Братск, ул. Макаренко 40, ауд. 3205.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Братский государственный университет» Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 665709, г. Братск, ул. Макаренко 40, «БрГУ», диссер тационный совет Д212.018.02, ученому секретарю: e-mail: efremov@brstu.ru, тел:

(3953) 32-53-63, факс: (3953) 33-54-

Автореферат разослан «18» сентября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент И.М. Ефремов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время для управления потоком рабочей среды и обеспечения требуемой герметичности подвижных и неподвижных соедине ний деталей (узлов) арматуры используются различные конструкции клапанов, за движек, кранов, фланцев, штуцеров и др. Используемые в них сопрягаемые элементы – уплотнительные соединения (УС), должны обеспечивать требуемую герметичность в широком диапазоне давлений, температур, при различном химическом составе ра бочих сред и др. условиях эксплуатации.

В настоящее время распространение в качестве УС получили цельнометалли ческие УС (т.н. УС «металл-металл»), где подвижный элемент УС – золотник – вы полняется коническим (реже – сферическим или более сложной формы), а неподвиж ный элемент – седло – тонкостенным в виде оболочки вращения (иногда в литературе именуемой упругой кромкой). Чаще всего используются цилиндрические оболочки, как наиболее простые в изготовлении.

Выполнение седла тонкостенным позволяет снизить усилие герметизации в цельнометаллическом УС практически до уровня металлополимерного УС, обеспе чить равномерность распределения герметизирующего усилия по периметру, снизить требования к точности монтажа и сборки.

Использование тонкостенных элементов особенно целесообразно, когда при менение металлополимерных УС осложнено по условиям эксплуатации (составы ра бочих сред, температурные режимы), использование притертых плоских или кониче ских УС нерационально из-за термоциклирования, так как при этом теряются достиг нутые притиркой геометрические параметры уплотнительных поверхностей.

Однако, при всех положительных свойствах тонкостенных элементов, следует отметить их чувствительность к силовому нагружению, особенно в клапанных УС, где перекрытие потока рабочей среды сопровождается динамической (ударной) нагрузкой, которая может более чем на порядок превышать статическую. При этом область рациональных геометрических размеров для тонкостенных элементов доста точно узкая. Выход из нее в одну сторону ведет к пластическому деформированию тонкостенного элемента и его возможному разрушению, а в другую сторону – к поте ре тонкостенным элементом его положительных свойств, а именно малых усилий герметизации и большого ресурса работы УС.

Поэтому одним из направлений совершенствования конструкций УС является снижение толщины (жесткости) тонкостенного элемента при безусловном сохране нии им своих прочностных свойств, т. е. выбор таких размеров тонкостенного эле мента, при которых минимизация жесткости тонкостенного элемента сочетается с обеспечением его прочности. Такие геометрические размеры будем называть рацио нальными.

Особо отметим, что при назначении рациональных размеров оболочечного сед ла одновременно обеспечивается минимизация герметизирующего усилия.

Наряду с указанным направлением совершенствования рассматриваемых УС, для клапанов важным также является снижение динамической нагрузки. Очень часто это снижение может быть достигнуто путем полной или частичной разгрузки золот ника от действия давления рабочей среды. При этом одновременно с задачей сниже ния динамической нагруженности клапана за счет использования менее мощных при водов, улучшения габаритно-массных характеристик, что особенно важно для авиа ционной и космической техники, решается задача защиты оболочечного элемента от перегрузки со стороны привода при изменении давления рабочей среды.



Проблема использования тех или иных способов разгрузки золотника от дей ствия давления рабочей среды обычно связано с появлением в клапане т.н. вторич ных уплотнений (ВУ), обеспечению работоспособности которых также может помочь использование тонкостенных элементов.

На основании вышеизложенного можно заключить, что возможными направ лениями совершенствования конструкций УС с тонкостенными элементами являются выбор рациональных размеров тонкостенного седла УС, при которых минимизация жесткостных свойств седла обеспечивает минимизацию герметизирующего усилия, а также разгрузка золотника клапана от давления рабочей среды, что позволяет снизить динамические нагрузки при срабатывании клапана, как основных силовых факторов, определяющих ресурсные, массогабаритные и другие эксплуатационные характери стики УС. Отсутствие рекомендаций по выбору рациональных размеров тонкостен ного элемента УС, путей управления его жесткостью, снижению динамической нагрузки при срабатывании клапана и разгрузке золотника обуславливает актуаль ность темы диссертационной работы.

Объектом исследования является: УС с тонкостенными элементами (упругой кромкой).

Предмет исследования: обеспечение прочности тонкостенного элемента при одновременной минимизации его жесткости при неопределенной возникающей при срабатывании клапана динамической нагрузки.

Цель работы: совершенствование уплотнительных соединений с тонкостен ными элементами с целью минимизации усилия герметизации и повышения ресурса УС.

Достижение поставленной цели требует решение ряда задач:

1. Анализ современного состояния конструктивных решений УС с тонкостен ными элементами, с золотником, разгруженным от давления рабочей среды.

2. Определение направлений совершенствования УС с тонкостенными элемен тами.

3. Определение рациональных размеров оболочечно-пластинчатого седла, ра ботающего в условиях ударного нагружения.

4. Определение рациональных размеров оболочечно-пластинчатого седла, ра ботающего в условиях статического нагружения (с учетом давления рабочей среды).

5. Разгрузка золотника от действия давления рабочей среды.

6. Теоретико-экспериментальная проверка методики определения рациональ ных геометрических размеров оболочечно-пластинчатого седла затвора.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту:

1. Разработка методик статического и динамического расчетов тонкостенного оболочечно-пластинчатого седла.

2. Постановка и решение оптимизационной задачи определения размеров тон костенного оболочечно-пластинчатого седла, работающего в условиях ударного нагружения, без предварительного определения максимальной динамической нагруз ки.

3. Постановка и решение оптимизационной задачи определения размеров тон костенного оболочечно-пластинчатого седла, работающего в условиях статического нагружения с учетом давления рабочей среды.

Обоснованность и достоверность полученных результатов подтверждаются:

разработанной методикой определения рациональных геометрических размеров обо лочечно-пластинчатого седла, реализованной с помощью универсального математи ческого пакета PTC MathCAD, конечно-элементным моделирование с использовани ем автоматизированных системах расчета APM WinMachine и MSC.vN4W, проведен ными экспериментальными исследованиями на разработанном универсальном стен де;

совпадением результатов конечно-элементного моделирования и аналитических расчетов, и совпадением результатов экспериментальных испытаний и аналитиче ских с точностью, приемлемой для инженерной практики.

Практическая ценность работы и ее реализация:

– создана инженерная методика расчета рациональных геометрических разме ров седла фланцевого УС, позволяющая снизить усилие герметизации в стыке;

– создана инженерная методика расчета рациональных геометрических разме ров тонкостенного оболочечно-пластинчатого седла клапана, позволяющая снизить динамические нагрузки в затворе, что позволяет прогнозировать снижение гермети зирующего усилия, повышение ресурса клапана, улучшение его массо-габаритных характеристик;

– разработано стендовое оборудование, позволяющее проводить деформацион ные исследования тонкостенных оболочечно-пластинчатых седел с диаметром условного прохода (ДУ) до 40 мм при усилии со стороны привода до 5 кН;

– разработаны перспективные конструкции седел пониженной жесткости и зо лотников, разгруженных от давления рабочей среды.

Результаты диссертационной работы использованы в ОАО ИркутскНИИхим маш (г. Иркутск) при разработке новых УС, а также используются в лекционных кур сах при подготовке студентов и аспирантов в ФГБОУ ВПО «Иркутский государ ственный университет путей сообщения» и ФГБОУ ВПО «Национальный исследова тельский Иркутский государственный технический университет».

Апробация работы: Основные результаты научных исследований докладыва лись и обсуждались на научных конференциях: Международной научной конферен ции, посвященной памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнева «Решетневские чтения» (г. Красноярск, 2011-2012 гг.);

Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы транспорта Восточной Сибири» (г. Иркутск, 2012 г.);

II Всероссийской научно-практической конференции, приуроченной ко Дню космонавтики «Авиамашиностроение и транспорт Сибири» (г.

Иркутск, 2012 г.);

Международной конференции «Проблемы механики современных машин» (г. Улан-Удэ, 2012 г.);

Третьей международной научно-практической конфе ренции «Безопасность регионов – основа устойчивого развития» (г. Иркутск, 2012 г.);

Енерго-та ресурсозберiгаючi технологiї при експлуатацiї машин та устаткування (Україна, г. Донецьк, 2012 г.);

Публикации: по результатам исследований опубликовано 15 научных работ, включая статьи в журналах и трудах конференций, из них 6 в рецензируемых издани ях, рекомендованных ВАК РФ для опубликования результатов диссертационных ра бот, депонированная рукопись № 508-В2011. Поданы заявки (№ 20111502212, г.;





№ 2012132174, 2011 г.;

№ 2012150424, 2012 г.) на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, за ключения, приложений и библиографического списка. Общий объем работы страниц, включая 10 таблиц, 88 рисунков, библиографического списка – 179 наиме нований.

В приложениях приводятся результаты экспериментальных исследований седел № 2 и № 3 (Прил. 1) и программа расчета рациональных геометрических размеров оболочечно-пластинчатого седла в MathCAD 14 (Прил. 2).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность совершенствования уплотнительных со единений, сформулирована цель исследования, указана научная новизна и практиче ская ценность, приведена общая характеристика диссертационной работы с кратким изложением основных положений.

Первая глава диссертации посвящена обзору и анализу конструктивных ре шений УС с использованием тонкостенных элементов и с разгруженным золотником от давления рабочей среды, определению направлений совершенствования, поста новке цели и задач диссертационного исследования.

Вопросам исследования УС деталей машин, в том числе с тонкостенными эле ментами посвящены работы: В.А. Ананьевского, А.И. Белоусова, И.А. Биргера, Е.Ф.

Бугаенко, А.И. Гошко, А.И. Голубева, Б.М. Громыко, Л.И. Гурняка, А.М. Долотова, С.П. Ереско, В.А. Зацарного, Б.В. Кармугина, Н.Н. Коленко, Л.А. Кондакова, Б.П.

Коновалова, Куршин А.П., В.М. Мартынова, Д.А. Мендельсона, О.П. Мулюкина, П.М. Огара, Д.Ф. Пасынкова, В.К. Погодина, В.Д. Продана, Н.Т. Романенко, О.П. Ря ховского, Г.Г. Стратиневского, Т.П. Тер-Матиосянца, Ю.И. Тарасьева, Л.А. Савина, Л.С. Ушакова, Д.Е. Чегодаева, В.Г. Чуркина, В.В. Шелофаста, Шпакова О.Н., R. Hu ber, G. Ehmig, K. Vogt, Alfred H. Rolfe, Govert J. Snoek, O. Winkler, и др.

Проведенный обзор клапанных и фланцевых УС, разработанных в СССР, Рос сии и за рубежом, выявил более 70 конструкций с использованием тонкостенных элементов. Анализ клапанных УС показал, что основным недостатком таких кон струкций, является чувствительность тонкостенного элемента к изменению силового нагружения (динамическим нагрузкам) со стороны золотника при перекрытии потока рабочей среды. Как показали исследования А.М. Долотова, максимальная динамиче ская нагрузка, возникающая при срабатывании клапана, с тонкостенным цилиндри ческим оболочечным седлом может быть определена из выражения:

Fdin Fst Fst 2( Eк Еф )(c1 c2 tg tg( )), (1) где Fst – статическая сила, действующая со стороны золотника на седло в момент ка сания;

E к – кинетическая энергия подвижных частей клапана в момент контакта зо лотника и седла;

Еф – энергия, затрачиваемая на компенсацию отклонений формы сопрягаемых элементов затвора;

с1 – приведенная жесткость подвижных частей кла пана;

с 2 – радиальная жесткость оболочечного элемента;

– половина угла при вер шине конуса;

– угол трения в стыке уплотнительного соединения.

Достаточно часто используются тонкостенные элементы сложной геометриче ской формы, которые технологически трудно реализовать на практике. Были выявле ны конструкции клапанных УС, где для снижения динамических нагрузок использу ются осевые упоры и полимерные гасители удара, однако, такие конструктивные ре шения ведут к снижению ресурса УС и ограничивают область применения.

Обзор и анализ литературных источников по прочностному расчету тонкостен ных элементов показал отсутствие практических рекомендаций по выбору и расчету их рациональных геометрических размеров.

Во второй части главы рассматриваются УС с частично или полностью разгру женным золотником от действия давления рабочей среды. Обзор и анализ разгру женных УС позволил условно разделить их на 4 группы, где разгрузка осуществляет ся с помощью: 1) поршня;

2) мембраны;

3) сильфона;

4) второго золотника (двухсе дельные). Основным недостатком таких конструкций является громоздкость, низкая надежность, ограниченный ресурс.

Исходя из вышеизложенного и анализа выражения (1) были определены сле дующие направления снижения динамической нагрузки в УС с тонкостенными эле ментами:

1) снизить приведенную жесткость тонкостенного элемента за счет конструк тивных решений (рис. 1, а), а его прочность обеспечить определением рациональных геометрических размеров.

2) снизить кинетическую энергию золотника клапана за счет его частичной или полной разгрузки от давления рабочей среды (рис. 1, б).

а) б) Рис. 1. Пути совершенствования УС с тонкостенными элементами а) – вариант снижения жесткости седла: 1 – золотник;

2 – оболочечный элемент;

3 – пластинчатый элемент;

б) – вариант разгрузки золотника: 1 – золотник;

2 - оболочеч ное седло;

3 – вторичные уплотнения (ВУ) Первая глава диссертации заканчивается постановкой цели и задач диссертаци онного исследования.

Вторая глава диссертации посвящена первому направлению совершенствова ния УС с использованием тонкостенных элементов – снижению приведенной жестко сти тонкостенного элемента и разработке методики определения его рациональных геометрических размеров.

В качестве наиболее технологичной была выбрана оболочечно-пластинчатая схема седла (рис. 1, а), где тонкостенная оболочка расположена на упругой пластине, жестко закрепленной по контуру, например, в корпусе клапана. Расчетная схема тон костенного оболочечно-пластинчатого седла представлена на рис. 2, а – для клапан ного УС и рис. 2, б – для фланцевого УС.

Внешние силовые статические параметры, возникающие на верхнем торце обо лочечного элемента, определяются из следующих выражений:

Fst Fst Tst ;

Qst, (2) 2ro 2ro tg( ) где Tst – интенсивность осевой силы;

Qst – интенсивность радиальной силы;

ro – ра диус образующей оболочечного элемента.

Статическая сила Fst, указанная в (2), в зависимости от рассматриваемого УС, может являться: 1) статической силой действующая в клапанном УС со стороны зо лотника на седло в момент посадки (рис. 2, а);

2) статическим усилием во фланцевом УС (рис. 2, б).

Следует отметить, что в клапанном УС для обеспечения прочности тонкостен ного элемента, определяющим параметром является максимальная динамическая ударная нагрузка Fdin,указанная в (1), обусловленная кинетической энергией по движных частей и приведенной жесткостью клапана. Поэтому, при прочностном рас чете тонкостенного элемента клапанного УС учитывалась именно Fdin.

В общем виде дифференциальные уравнения деформаций пластинчатого и оболочечного элементов могут быть записаны в виде выражений (3) и (5) соответ ственно:

d 2 p 1 d p p Q p а) б), (3) r drp rp D p drp где Q p – перерезывающая сила в пластинчатом элементе;

D p – изги бная жесткость пластинчатого эле мента;

p – угол поворота пластин чатого элемента;

rp – текущий ра диус, ro rp R p.

Решение (3) ищем в виде:

С p (rp ) С1rp 2 rp D p rp (4) r Q d~ dr, r p где С1,С2 – постоянные интегриро вания;

~ и r – вспомогательные r Рис. 2. Расчетные схемы переменные.

оболочечно-пластинчатого седла:

T d 4w pp а) – клапанного УС;

б) – фланцевого УС 4 4 w st, (5) dx 4 ro Do Do где p p – давление рабочей среды;

Dо – изгибная жесткость оболочечного элемента;

– параметр оболочечного элемента, 4 3(1 2 ) /(rо2 hо ) ;

w – радиальное смеще ние оболочечного элемента;

– коэффициент Пуассона;

x – текущая координата, 0 xl.

Решение (5) ищем в виде:

w( x) Ai K i (x) w *, (6) i Tst ro где Ai – постоянные интегрирования;

w * – частное решение, w* p p ;

ro Eho K i – функции А.Н. Крылова:

K 0 ( x) cosh(x) cos(x);

K1 ( x) cosh(x) sin(x) sinh(x) cos(x);

(7) 1 K 2 ( x) sinh(x) sin(x);

K 3 ( x) cosh(x) sin(x) sinh(x) cos(x).

2 Граничное условие для пластинчатого элемента:

1) на наружном краю пластинчатого элемента, т.е. при rp R p : sp 0.

Граничные условия для оболочечного элемента:

1) на верхнем торце оболочечного элемента w ' ' (0) 0 ( M (0) 0 ), откуда A2 0 ;

2) на верхнем торце оболочечного элемента w ' ' ' (0) Q / Dо, откуда A3 Q / Dо3.

На контуре разделения пластинчатого и оболочечного элементов назначаем следующие условия совместности деформаций:

M so (l ) M sp (ro ) ;

Qso (l ) Qsp (ro ) ;

w(l ) rp (ro ) ;

so (l ) sp (ro ), (8) где M so, M sp ;

Qso, Qsp ;

w, rp, so, sp – моменты, силы, прогибы и углы поворота в ме сте сопряжения пластинчатого и оболочечного элементов соответственно.

В результате раскрытия граничных условий оболочечного и пластинчатого элементов, и условий совместности деформаций (8), задача нахождения постоянных интегрирования сводится к решению системы из трех уравнений (9) – для клапанного УС и четырех (10) – для фланцевого УС:

Tst K1 l Do 2 4 A0 K 2 (l ) 4 A1 K 3 (l ) Do 3 tg( ) r C1 R p Tr Tr D p C1 1 2 1 st o 1 st o ln o ;

2D p R p 2D p ro ( R p ro ) T r Tst A0 K 0 (l ) A1 K1 (l ) K 3 (l ) st o (1 ) (9) Dо 3 tg( ) Ehо Eho Tst Dо 3 [4 A0 K1 (l ) 4 A1 K 2 (l ) K 0 (l )];

Dо 3 tg( ) 2 C r C1 R p Tst ro ln ro [4 A K (l ) A K (l ) Tst K 2 (l )].

1o 03 Dо 3 tg( ) ro 2D p R p 2 C2 D p Qst K1 l С1 D p (1 ) 2 (1 ) Do 4 A0 K 2 (l ) 4 A1 K 3 (l ) Do ro Tr p p ro 1 p p ro2 r (3 ) st o 1 ln o (1 ) ;

1 4 4 16 2 Rp Tst ro Qst K 3 (l ) p p A0 K 0 (l ) A1 K1 (l ) ro Eho Dо (10) ( R p ro ) Qst (1 ) Dо 3 [4 A0 K1 (l ) 4 A1 K 2 (l ) K 0 (l )];

Dо Eho C 2 Tst ro2 r Q C1ro ln o [4 A0 K 3 (l ) A1 K 0 (l ) st 3 K 2 (l )];

Do ro 2 D p R p p p R p ro4 Rp C 4ro2 R p ln r.

С1 R p 16 D p R p o Rp После определения постоянных интегрирования может быть вычислен прогиб пластинчатого элемента для клапанного и фланцевого УС из выражений (11) и (12) соответственно:

R p Tst ro 4C1 D p 2 Tst ro3 ro wsp.к C2 ln ( R p ro ) ln ;

(11) ro 8D p 4D p R p С1rp 2 p p ro4 ln rp p p ro2 rp p p rp wsp.ф С3 C 2 ln rp 2 64 D p 16 D p 16 D p (12) p p ro2 rp ln rp / ro Tst ro rp 2 ln rp / R p 2.

8D p 8D p Радиальная жесткость оболочечного элемента с2 и осевая жесткость пластин чатого элемента с3 определяются из выражений:

2T r Q Qst ;

с3 st o.

с2 st (13) w(0) A0 w * wsp На рис. 3 показаны жесткостные модели оболочечно-пластинчатого седла для клапанного и фланцевого УС.

Приведенная жесткость для клапанного и фланцевого УС может быть опреде лена из выражений (14) и (15) соответственно:

с с2 tg tg( )с спр.к 1 (14) ;

с1 с2 tg tg( ) с с tg tg( )с спр.ф 2 (15), с2 tg tg( ) с где с1 – жесткость привода.

б) а) Рис. 3. Жесткостная модель оболочечно-пластинчатого седла а) – клапанного УС;

б) – фланцевого УС Выше было указано, что определяющим параметром для обеспечения прочно сти тонкостенного оболочечно-пластинчатого седла клапанного УС является дина мическая ударная нагрузка Fdin.

С учетом вышеизложенного для тонкостенного оболочечно-пластинчатого сед ла клапанного УС динамическая ударная нагрузка определяется из выражения:

с1 с2 tg tg( )с Fdin Fst Fst 2( Eк Еф ), (16) с1 с2 tg tg( ) с с последующим разложением Fdin на составляющие:

F Fdin Tdin din ;

Qdin, (17) 2ro 2ro tg( ) и выполнением прочностного расчета.

Определение эквивалентных напряжений производилось по четвертой гипотезе прочности (гипотезе формоизменения), на наружных и внутренних поверхностях тонкостенного оболочечно-пластинчатого седла.

Приведенная выше аналитическая методика статического, динамического, прочностного и жесткостного расчетов позволяет поставить следующие задачи опре деления рациональных геометрических размеров тонкостенного оболочечно пластинчатого седла:

1. Проектный расчет динамически нагруженного седла клапана (учитывается Eк):

Целевая функция: спр (ho, h p ) min.

Ограничения: экв.о. max (ho, h p, x) adm ;

экв. p. max (ho, h p, rp ) adm.

2. Проверочный расчет статически нагруженного седла клапана c учетом дей ствия давления рабочей среды:

Ограничения: экв.о. max (ho, h p, x) adm ;

экв. p. max (ho, h p, rp ) adm.

3. Проектный расчет седла фланцевого соединения:

Целевая функция: спр (ho, h p ) min.

Ограничения: экв.о. max (ho, h p, x) adm ;

экв. p. max (ho, h p, rp ) adm.

Решение поставленных задач расчета рациональных геометрических размеров седла с помощью PTC MathCAD рассматривается в главе 3.

Третья глава диссертации посвящена расчету рациональных геометрических размеров тонкостенных оболочечно-пластинчатых седел клапанного и фланцевого УС в PTC MathCAD 14.

Решение задач, поставленных в главе 2, приводится в виде алгоритма, пред ставленного на рис. 4-6.

Алгоритм разбит на три основные части. Последовательность определения па раметров в первой (рис. 4) и третьей частях (рис. 6) алгоритма для клапанного и фланцевого УС одинаковые. В первой части алгоритма (рис. 4) задаются исходные данные, определяются функции А.Н. Крылова и др. параметры. Давление рабочей среды, в случае расчета фланцевого УС или при проверочном расчете клапанного УС, задается в исходных данных и учитывается в уравнениях, согласно аналитиче ской методике приведенной в главе 2. Первая часть алгоритма заканчивается опреде лением жесткостей для пластинчатого и оболочечного элементов.

Рис. 4. Алгоритм определения жесткостных параметров Рис. 5. Алгоритм определения прочностных параметров Во второй части алгоритма (рис. 5) определяются: динамическая нагрузка Fdin(ho, hp), и внешние динамические параметры Tdin(ho, hp), Qdin(ho, hp). Жесткостные параметры и параметры напряженно-деформированного состояния (НДС) переопре деляются. Вторая часть алгоритма заканчивается определением эквивалентных напряжений для пластинчатого и оболочечного элементов. В случае расчета фланце вого УС, где отсутствует динамическая нагрузка Fdin, после первой части алгоритма сразу определяются эквивалентные напряжения для пластинчатого и оболочечного элементов. В этом случае переопределение жесткостных параметров и параметров НДС не требуется.

Рис. 6. Алгоритм расчета рациональных геометрических размеров седла В третьей части алгоритма (рис. 6) проводится расчет рациональных геометри ческих размеров тонкостенного оболочечно-пластинчатого седла путем решения по ставленных задач оптимизации для клапанного и фланцевого УС, описанных в главе 2.

В блоках 13-15 (рис. 6) задаются исходные параметры для подпрограмм (блоки 14-16). Эквивалентные напряжения для пластинчатого и оболочечного элементов за даются как функции от радиуса r и координаты x соответственно. Это было сделано для того, чтобы подпрограммы в соответствии с заданным шагом производили поиск максимальных напряжений и соответствующих им текущих координаты x и радиуса rp.

Полученные результаты расчета толщин ho, hp после вычислительного блока Given – minimize проходят проверку по допускаемым напряжениям (блок 19). В слу чае невыполнения этих условий, значения радиуса rmax.p и координаты xmax.o снова анализируются подпрограммами и передаются в вычислительный блок Given – mini mize, где производиться повторный расчет.

В качестве примера рассмотрим тонкостенное оболочечно-пластинчатое седло клапана, имеющее следующие параметры: ro = 19 мм;

R p = 42,5 мм;

E = 9·104 МПа;

= 0,35;

= 15°;

коэффициент трения в стыке f = 0,1;

l = 3;

ho = 1 мм и h p = 1 мм (взятые начальные приближения);

Fst = 450 Н;

E к 100 Н·мм;

принятое допускаемое напряжение для материала БрО5Ц5С5 adm = 260 МПа;

Eф = 0.

Полученные графики, представлены на рис. 7-14. Начальные приближения (рассчитанные): rmax.p = 19;

xmax.o = 10,173. Рациональные геометрические размеры (толщины): ho 0,936 мм;

h p 1,719 мм.

Рис. 7. Радиальное смещение в оболо- Рис. 8. Осевое перемещение в пластин чечном элементе чатом элементе Рис. 10. Угол поворота в пластинчатом Рис. 9. Угол поворота в оболочечном элементе элементе Рис. 11. Изгибающий момент в оболо- Рис. 12. Изгибающий момент в пла чечном элементе стинчатом элементе Рис. 13. Эквивалентные напряжения в Рис. 14. Эквивалентные напряжения в пластинчатом элементе оболочечном элементе После выполнения расчета и получения результатов рациональных толщин для седла, необходимо провести проверку начальных приближений, т.к. возможно невы полнение условий по допускаемым напряжениям. Это происходит потому, что вы числительный блок Given (в данном расчете Given-minimize), ограничен начальными приближениями и выполняет заданные ограничения по допускаемым напряжениям только в них. На рис. 13 показано, что значение эквивалентных напряжений превы шает допускаемое adm = 260 МПа, при rmax.p = 20,3 эквивалентные напряжения экв.р.max (ho, hp, 20,3) = 264,3 МПа. В результате проверки начальных приближений и повторного расчета были уточнены рациональные геометрические размеры (толщи ны): ho 0,945 мм;

h p 1,743 мм. Графики эквивалентных напряжений в пластинча том и оболочечном элементах представлены на рис. 15. Из графиков видно, что усло вия по допускаемым напряжениям выполняется.

а) б) Рис. 15. График эквивалентных напряжений:

а) – в оболочке;

б) – в пластине Использование автоматизированных систем расчета позволяет значительно со кратить время решения задачи. Встроенные в систему функции программирования дают возможность создавать несложные программные модули, необходимые для многократных вычислений, например, для поиска координаты xmax.o и радиуса rmax.p, использованных при дальнейших расчетах в качестве начальных приближений для вычислительного блока Given-minimize.

Рис. 16. Клиновая задвижка Рис.17. Клапан заявка № Заявка № 2012132174, 2011 г.

20111502212, 2011 г.

В качестве перспективных конструкций предлагаются УС представленные на рис. 16-17.

На предлагаемые конструкции клиновой задвижки и клапана с тонкостенными элементами поданы заявки на изобретение.

Четвертая глава диссертации посвящена второму направлению совершен ствования УС с использованием тонкостенных элементов – снижению динамической ударной нагрузки за счет разгрузки золотника клапана от давления рабочей среды.

Рассматривается обеспечение герметичности вторичных уплотнений (ВУ) в разгру женных конструкциях, и предлагаются перспективные УС.

Разгрузка золотника клапана от давления рабочей среды может быть как пол ной, так и частичной. Степень разгруженности золотника зависит от конструкции клапана и типа разгружающего элемента.

Использование разгружающего элемента вносит в конструкцию дополнитель ные стыковые поверхности (вторичные) элементов УС, которые также необходимо уплотнять.

Проведя обзор и анализ конструктивных решений, разгруженных УС, предла гаются перспективные конструкции клапанов (рис. 18). На рис. 18, б герметичность ВУ, выполненного в виде эластичного элемента заполненного несжимаемой средой, достигается за счет использования упорных элементов, выполненных в виде тонко стенных элементов.

а) б) Рис. 18. Предлагаемые конструкции разгруженных клапанов а) – без упорных элементов, заявка № 2012150424, 2012 г.;

б) – с упорными элементами, подана заявка;

1 – упоры;

2 – эластичный элемент;

3 – среда Сущность использования упорных элементов в виде тонкостенных оболочек поясняется рис. 19.

Под действием давления рабочей среды, износа деталей, погрешностей при монтаже образуется зазор между сопрягаемыми поверхностями (рис. 19, а) в резуль тате которого уплотнение повреждается и УС теряет герметичность.

Существующие упорные элементы (рис. 19, б, в), выполняемые из полимерных материалов, не обеспечивают решение проблемы по причинам приведенным выше.

а) б) в) г) д) Рис. 19. Схемы обеспечения герметичности вторичных уплотнений В качестве перспективных упорных элементов предлагается использовать тон костенные металлические оболочечные элементы, обладающие положительными свойствами как металлических (широкий диапазон эксплуатации), так и полимерных уплотнений (малые усилия герметизации, большой ресурс).

На рис. 20 представлена схема испытываемого ВУ, а на рис. 21 эксперимен тальная установка МИ40-КУ.

Целью эксперимента являлось определение нагрузки, которую выдержит ВУ до выдавливания в зазор между деталями. В качестве ВУ был взят резиновый шарик заполненный жидкостью 4 (водой) и расположенный между двух цилиндров 1 в кор пусе 2. Цилиндры 1 выполнены без фасок и скруглений, что снизило вероятность вы давливания резинового шарика 3 в зазор между деталями. Нагружение резинового шарика производилось со скоростью 2 мм/мин до потери герметичности УС.

В табл. 1 приводятся геометрически параметры испытываемого УС, а в табл. результаты эксперимента.

Рис. 20. Схема ВУ 1 – цилиндры;

2 – корпус;

3 – эластич Рис. 21. Экспериментальная установка ный элемент;

4 – жидкость;

5 – опор МИ40-КУ ная поверхность Таблица Геометрические параметры корпуса и цилиндров Высота ци- Внутренний Наружный Диаметр ци- Толщина Высота корпуса линдра диаметр кор- диаметр кор- линдра стенки уплот H, мм h, мм пуса dв, мм пуса dн, мм dц, мм нения, мм 40 70 30.1 40 30 0. Таблица Результаты нагружения тонкостенного эластичного элемента Нагрузка, которую выдержал экс- Без упорного периментальный образец элемента F, Н Полученные экспериментальные значения нагрузки, которую выдержал рези новый шарик, свидетельствуют о рациональности использования и дальнейшего изу чения такого типа уплотнения. Предлагаемые упорные элементы позволят компенси ровать зазор между деталями, отказаться от притирки поверхностей и увеличить ре сурс работы такого УС.

Пятая глава диссертации посвящена экспериментальному определению де формационных параметров тонкостенного оболочечно-пластинчатого седла, анализу и сравнению полученных данных с результатами аналитического расчета и конечно элементного моделирования.

Целью экспериментального исследования являлось определение осевого пере мещения и радиального смещения тонкостенного оболочечно-пластинчатого седла.

Рис. 22. Экспериментальная установка 1 – крышка привода;

2 – корпус;

3 – зо лотник;

4 – блок измерения усилий (БИУ);

5 – датчик усилия (ДУ);

6 – штурвал;

7 – индикатор часовой (ИЧ 10);

8 – кронштейн;

9 – осевой рычаг;

– опорная крышка;

11 – седло;

12 – фик сирующее кольцо;

13 – индикатор часо вой МИГ 1 (показан схематично) Для проведения экспериментальных исследований была разработана установка (рис. 22) на базе лабораторного комплекса по сопротивлению материалов СМ-1. На экспериментальной установке, без давления рабочей среды, были статически испы таны три тонкостенных оболочечно-пластинчатых седла с высотой оболочки 20 (№ 1), 15 (№ 2) и 10 (№ 3) мм.

Нагружение оболочечно-пластинчатого седла 11 золотником 3 осуществлялось с помощью поворота штурвала 6. Установленный между золотником и штурвалом датчик усилия 5, позволял фиксировать значения прикладываемой нагрузки за счет БИУ 4. Установленные индикаторы часового типа 7 снимали показания осевых пере мещений пластинчатого элемента по средствам рычаг 9. Головки индикаторов 13 бы ли непосредственно подведены к торцу оболочечного элемента и снимали его ради альные перемещения.

В табл. 3 представлены параметры испытываемого оболочечно-пластинчатого седла. В качестве материала для седла была взята бронза марки БрО5Ц5С5 обладаю щая высокими механическими свойствами. Золотник клапана был выполнен из стали 45, термообработан и обезжирен перед проведением эксперимента.

Таблица Параметры испытываемого экспериментального образца Внутренний Наружный Наружный Толщина Высота Кол-во диаметр диаметр диаметр пластины/ № седла оболочки образцов, Материал оболочки оболочки пластины оболочки H, мм шт dвн, мм dн, мм D, мм h, мм БрО5Ц5С 1 20 38 40 85 1/1 На рис. 23-24 представлены снимки затвора экспериментальной установки и седел, выполненных из бронзы марки БрО5Ц5С5.

Рис. 24. Экспериментальные образцы Рис. 23. Затвор Результаты экспериментальных исследований представлены в виде графиков на рис. 25-26.

Рис. 25. График зависимости осевого прогиба пластины от прикладываемой нагрузки Рис. 26. График зависимости радиальных смещений торца оболочки от прикладываемой нагрузки Наряду с экспериментальными исследованиями, было проведено конечно элементное моделирование в APM WinMachine и MSC.vN4W (рис. 27-28), целью ко торого являлась проверка полученных аналитических результатов расчета в MathCAD 14 и экспериментальных данных. Модели были построены в системах APM WinMachine и MSC.vN4W, предоставляемые разными разработчиками, что позволи ло проанализировать и сравнить результаты их расчета между собой. Расхождение результатов моделирования в APM WinMachine и MSC.vN4W составило менее 1 %, что говорит о правильном построении моделей. Использование указанных систем также позволило определить допускаемую нагрузку на тонкостенное оболочечно пластинчатое седло перед проведением эксперимента.

а) б) Рис. 27. Карты перемещений в APM WinMachine: а) – осевых;

б) – радиальных а) б) Рис. 28. Карты перемещений в MSC.vN4W: а) – осевых;

б) – радиальных Таблица Сводная таблица результатов расчета, моделирования и проведенного эксперимента Осевые переме- Радиальные смеще щения пластинча- ния торца оболо №, п/п Где были получены результаты того элемента чечного элемента wосе, мм wрад, мм Результаты аналитических расчетов в 1 0,37 0, MathCAD Экспериментальные данные седла № 2 0,30 0, Результаты моделирования:

0,357 0, 3 APM WinMachine 0,361 0, MSC.vN4W В табл. 4 представлены данные расчетов и исследований, проведенных для тонкостенного оболочечно-пластинчатого седла. Значения осевых перемещений и радиальных смещений тонкостенного оболочечно-пластинчатого седла, полученные аналитическим расчетом и конечно-элементным моделированием, показали доста точно точное совпадение. Максимальная погрешность экспериментальных результа тов по сравнению с аналитическими и моделированием составляет для wосе – 19 %, а для wрад – 20 %.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Анализ конструктивных решений уплотнительных соединений с тонкостен ными элементами показал, важнейшим направлением совершенствования конструк ций клапанных и фланцевых уплотнительных соединений является снижение приве денной жесткости тонкостенного элемента.

2. В связи с эксплуатационным изменением параметров рабочей среды целесо образно совершенствование конструкций клапанов реализовать путем использования разгруженных от действия давления рабочей среды золотников.

3. С целью снижения динамического нагружения тонкостенного элемента в уплотнительных соединениях и минимизацией герметизирующего усилия, предло жено выполнять тонкостенный элемент пониженной жесткости в виде оболочечно пластинчатого седла как наиболее технологичного.

4. Разработана инженерная методика выбора рациональных геометрических размеров оболочечно-пластинчатого седла клапана, работающего в условиях ударно го нагружения при неопределенной максимальной динамической нагрузке, обеспечи вающая непревышение допускаемых напряжений в тонкостенном оболочечно пластинчатом седле.

5. Разработана инженерная методика для проверки напряженно деформированного состояния оболочечно-пластинчатого седла клапана при статиче ском нагружении усилием герметизации и давлением рабочей среды.

6. Разработана инженерная методика выбора рациональных геометрических размеров оболочечно-пластинчатого седла фланцевого соединения, обеспечивающая минимизацию приведенной жесткости (минимизация герметизирующего усилия) при условии обеспечения прочности оболочечно-пластинчатого седла.

7. Результаты аналитических расчетов деформационных параметров оболочеч но-пластинчатого элемента, их экспериментальная проверка на специально разрабо танной установке и сопоставление с результатами моделирования в среде APM Win Machine и MSC.vN4W показали совпадение результатов с точностью, приемлемой для инженерных расчетов, что подтверждает правильное построение расчетной мо дели оболочечно-пластинчатого седла.

8. Использование оболочечно-пластинчатого седла вместо оболочечного в кла панных уплотнительных соединениях позволяет снизить приведенную жесткость уплотнительного соединения и ведет к значительному снижению динамической нагрузки, что позволяет выполнить седло более тонкостенным, что в свою очередь ведет к снижению требуемого усилия герметизации и снижению массо-габаритных характеристик привода, прогнозировать рост ресурса клапана.

9. Предложенная методика выбора рациональных геометрических размеров оболочечно-пластинчатого фланцевого уплотнительного соединения позволяет ми нимизировать герметизирующее усилие.

10. Предложены перспективные конструкции затворов клапанов, разгруженных от давления рабочей среды, что позволяет отказаться от ограничителей деформаций тонкостенных элементов, тем самым повысить ресурс работы клапана, расширить допускаемый диапазон изменения давления рабочей среды.

11. Предложены перспективные конструкции УС с тонкостенными оболочечно пластинчатыми седлами пониженной жесткости, в том числе для задвижек.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

- в изданиях из перечня ВАК:

1. Долотов, А.М. Обзор способов разгрузки золотника клапана от давления герметизируемой среды / А.М. Долотов, Ю.И. Белоголов // Системы. Методы. Тех нологии. – Братск: ГОУ ВПО «БрГУ», 2010. - № 3 (7). – С. 30- 36.

2. Долотов, А.М. Напряженно-деформированное состояние тонкостенного кла панного седла пониженной жесткости / А.М. Долотов, Ю.И. Белоголов // Современ ные технологии. Системный анализ. Моделирование. – Иркутск: ФГБОУ ВПО «Ир ГУПС», 2011. – № 4 (32). – С. 62- 65.

3. Долотов, А.М. Определение жесткостных характеристик оболочечно пластинчатого седла клапана / А.М. Долотов, Ю.И. Белоголов // Трубопроводный транспорт: теория и практика. – М.: ОАО ВНИИСТ, 2013 – № 3 (37). – С. 32-37.

4. Долотов, А.М. Жесткостная модель оболочечно-пластинчатого седла / А.М.

Долотов, Ю.И. Белоголов // Современные технологии. Системный анализ. Модели рование – Иркутск: ФГБОУ ВПО «ИрГУПС», 2013. – № 2 (38). – С. 107 – 110.

5. Долотов, А.М. Определение перемещений в оболочечно-пластинчатом седле клапана / А.М. Долотов, Ю.И. Белоголов // Системы. Методы. Технологии. – Братск:

ФГБОУ ВПО «БрГУ», 2013. - № 2 (18). – С. 22- 28.

- в других изданиях:

6. Белоголов, Ю.И. Компенсация усилий, действующих на затвор со стороны герметизируемой среды // Проблемы транспорта Восточной Сибири: материалы Все российской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и сту дентов электромеханического факультета ИрГУПС. Часть 2. – Иркутск: ИрГУПС, 2012. – 192 с.

7. Белоголов, Ю.И. Совершенствование конструкций уплотнительных соеди нений с тонкостенными элементами (упругой кромкой) // Труды Братского государ ственного университета. Серия: Естественные и инженерные науки. – Братск, 2013.

Т.1. С. 194-196.

8. Долотов, А.М. Снижение динамических нагрузок при ударном нагружении оболочечного седла клапана / А.М. Долотов, Ю.И. Белоголов // Решетневские чте ния. Материалы XV Международной научной конференции, посвященной памяти ге нерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнева (10-12 ноября 2011, г. Красноярск): в 2 ч. / под. Общ. Ред. Ю. Ю. Логинова;

Сиб. Гос.

Аэрокосмич. Ун-т. – Красноярск, 2011. – Ч. 1. – 430 с.

9. Долотов, А.М. Уплотнительные соединения с использованием тонкостенных элементов / А.М. Долотов, В.Е. Гозбенко, Ю.И. Белоголов // Иркутский государ ственный университет путей сообщения – Иркутск, 2011. – с. 72 с.: ил. 78. Библиогр.

87 назв. – Рус. – Деп. В ВИНИТИ 22.11. 2011 № 508-В2011.

10. Долотов, А.М. Снижение давления среды на золотник затвора клапан / А.М.

Долотов, Ю.И. Белоголов // Авиамашиностроение и транспорт сибири: сб. статей II Всероссийской научно-практической конференции, приуроченной ко Дню космонав тики (Иркутск, 11-13 апреля, 2012 г.). – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2012. – 312 с.

11. Долотов, А.М. Оптимизация конструкции седла клапана / А.М. Долотов, Ю.И. Белоголов // Проблемы транспорта Восточной Сибири: Всероссийской мате риалы научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов электромеханического факультета ИрГУПС. Часть 2. – Иркутск: ИрГУПС, 2012. – 192 с.

12. Долотов, А.М. Оптимизация геометрических параметров тонкостенного седла клапана пониженной жесткости / А.М. Долотов, Ю.И. Белоголов // Проблемы механики современных машин: Материалы V международной конференции. – Улан Удэ: Изд-во ВСГУТУ, 2012. – Т. 2. – 272 с., ил.

13. Долотов, А.М. Совершенствование конструкции клапана с тонкостенным уплотнительным элементом / А.М. Долотов, Ю.И. Белоголов // Третья международ ная научно-практическая конференция «Безопасность регионов – основа устойчивого развития». – Иркутск: ФГБОУ ВПО «ИрГУПС» (12-15 сентября), 2012. – 243 с.

14. Долотов, А.М. Пути совершенствования клапанных уплотнительных соеди нений с оболочечными седлами / А.М. Долотов, Ю.И. Белоголов // Енерго-та ресур созберiгаючi технологiї при експлуатацiї машин та устаткування: Матерiали 4-ої мiжвузiвської науково-технiчної конференцiї викладачiв, молодих вчених та студен тів. – м. Донецьк: 2012. – С. 87 – 88.

15. Долотов, А.М. Математическая модель оболочечного седла пониженной жесткости / А.М. Долотов, Ю.И. Белоголов // Решетневские чтения. Материалы XVI Международной научной конференции, посвященной памяти генерального конструк тора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнева (7-9 ноября 2012, г.

Красноярск): в 2 ч. / под. Общ. Ред. Ю. Ю. Логинова;

Сиб. Гос. Аэрокосмич. Ун-т. – Красноярск, 2012. – Ч. 1. – 458 с.

Белоголов Юрий Игоревич СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ УПЛОТНИТЕЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ С ТОНКОСТЕННЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ (УПРУГОЙ КРОМКОЙ) Специальность: 05.02.02– Машиноведение, системы приводов и детали машин Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Формат бумаги 6084 1/16.

Бумага офсетная Тираж 100.

Отпечатано в типографии «Пятёрочка» г. Братск

 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

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.