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

Разработка манжетных уплотнительных устройств возвратно-поступательного действия при повышенном давлении рабочей среды

На правах рукописи

Дяшкин Андрей Владимирович

РАЗРАБОТКА МАНЖЕТНЫХ УПЛОТНИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ

ПРИ ПОВЫШЕННОМ ДАВЛЕНИИ РАБОЧЕЙ СРЕДЫ

05.02.02 – Машиноведение, системы приводов

и детали машин

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Волгоград - 2013 2

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет», кафедра «Механика»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор, Пындак Виктор Иванович.

Официальные оппоненты: Новиков Вячеслав Владимирович доктор технических наук, доцент, СПО «Волгоградский колледж газа и нефти»

ОАО «Газпром», зам. директора по учебной работе НОУ;

Попов Андрей Васильевич кандидат технических наук, доцент, Волгоградский государственный технический университет, кафедра «Детали машин и подъемно-транспортные устройства», доцент.

Ведущая организация ФГБОУ ВПО Кубанский государственный технологический университет, г. Краснодар.

Защита состоится « 20 » декабря 2013 г. в 12 ч. 30 мин. на заседа нии диссертационного совета Д 212.028.06, созданного на базе Волгоград ского государственного технического университета по адресу: 400005 г.

Волгоград, проспект Ленина, 28, ауд. 210.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВолгГТУ.

Автореферат разослан « » ноября 2013г.

Учёный секретарь диссертационного совета Быков Юрий Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Уплотнения и уплотнительные устройства занимают особое место в машиностроении различного профи ля. Наиболее распространёнными, подверженными возрастающему давле нию рабочей среды и лимитирующими технический ресурс, надёжность и долговечность машин и оборудования, являются уплотнительные устрой ства возвратно-поступательного действия.

Некоторые выпускаемые в России гидрофицированные объекты ба зируются на устаревшие приводы, рассчитанные на рабочее давление до МПа. Современные машины, в том числе импортные, имеют надёжное гидрооборудование на давление 21…40 МПа, а часть нефтегазового обо рудования функционирует при давлении до 70 МПа. При росте давления усложняется работа уплотнений.

Эффективность предлагаемых уплотнительных устройств возвратно поступательного действия проявляется при повышенном давлении и раз нообразии рабочей среды. При такой трактовке решаемые проблемы отно сятся к числу особо актуальных.

Степень разработанности темы. Серийные уплотнительные уст ройства не соответствуют современным требованиям, прежде всего при высоком давлении - до 70 МПа. Новые разработки по уплотнениям пред ставлены в работах В.В. Буренина, С.П. Ереско, В.Я. Штро, В.В. Гаевский, А.А. Толоконникова, С.В. Герасимова, В.П. Алексеева и др. Однако долго вечность этих устройств недопустимо снижается с ростом рабочего давле ния среды. Недостаточно разработаны задачи напряженно деформированного состояния уплотнительных пакетов.

Цель исследования. Повышение эксплуатационно-технологических ха рактеристик пакетных манжетных уплотнительных устройств возвратно поступательного действия в диапазоне давлений рабочей среды от 25 до 70 МПа.

Объект и предмет исследований. Пакеты уплотнений с М - образ ными манжетами преимущественно из резиноткани в широком диапазоне давлений рабочей среды – от 25 до 70 МПа;

модификация серийных рези новых манжет. Стенды для испытаний уплотнений возвратно поступательного действия. Экспериментальные исследования новых уп лотнительных устройств и теоретическое определение их напряжённо деформированного состояния.

Задачи исследования.

1. На основе анализа известных уплотнительных узлов разработать новые структуры пакетных уплотнительных устройств возвратно поступательного действия с М – образными резинотканевыми манжетами, уплотнительные элементы которого разгружены от осевой нагрузки и обеспечивают стабильный уплотнительный эффект в диапазоне рабочих давлений от 25 до 70 МПа.

2. Уточнить технологию поверхностной диффузионной модифика ции для повышения модуля упругости и триботехнических свойств на уп лотняемой поверхности манжет, работающих при повышенном давлении рабочей среды.

3. Разработать методику испытаний и создать стендовое оборудова ние для сравнительных исследований уплотнений в широком диапазоне давлений с целью определения наработки, силы трения и утечки рабочей среды.

4. На основе методов конечных элементов и теории упругости пред ложить методику расчёта напряжённо-деформированного состояния па кетных уплотнений (с использованием инженерной программы ANSYS).

5. Предложить комплексные показатели эффективности новых уплотни тельных устройств, учитывающие стоимостные и эксплуатационно технологические характеристики, а также расширение области их применения.

Научная новизна работы. Разработана методика повышения экс плуатационно-технологических показателей уплотнительных устройств возвратно- поступательного действия при высоком давлении за счет диф фузионной поверхностной модификации U – образных резиновых манжет и применения новых М – образных резинотканевых манжет, уплотнитель ные элементы которого разгружены от осевой нагрузки. На основе методов конечных элементов и теории упругости предложена методика расчета напряжённо-деформированного состояния пакетных уплотнений с исполь зованием инженерной программы ANSYS.



Новизна технических решений защищена двумя изобретениями.

Достоверность разработанных положений, выводов и рекомендаций подтверждена практикой конструирования уплотнений, компьютерным решением аналитических задач и их сопоставлением с экспериментальны ми данными, испытаниями на стендах, практическим использованием уп лотнений, а также апробацией на научных конференциях.

Теоретическая и практическая значимость. Осуществлено совер шенствование и разработаны основы конструирования пакетных уплотни тельных устройств из резиноткани и полимеров на давление до 70 МПа с новыми М – образными манжетами;

апробирована простая и надёжная технология диффузионной поверхностной модификации серийных резино вых манжет. Благодаря этому существенно повышается износостойкость и технический ресурс уплотнений при снижении не менее чем в 2 раза их энергоёмкости.

Методология и методы исследования. Аналитические исследова ния проводились на основе законов теории упругости и вариационных ис числений решения задач – методом перемещения;

численная реализация осуществлена с применением метода конечных элементов. При определе нии упругих свойств резинотехнических материалов использован метод сравнительных испытаний на образцах. Экспериментальные исследования уплотнительных устройств проведены на стенде с имитацией условий эксплуатации.

Положения, выносимые на защиту:

- повышение эксплуатационно-технологических показателей серийных резиновых уплотнений за счет диффузионной поверхностной модификации;

- разработка пакетных манжетных уплотнений одно – и двусторонне го действия повышенного давления (до 70 МПа) на основе М – образных манжет из резиноткани;

- определение модуля упругости нетрадиционных уплотнительных материалов;

- стендовое оборудование для сравнительного экспериментального исследования уплотнений;

- экспериментальное определение показателей силы трения и нара ботки серийных, модифицированных и новых (с М – образными манжета ми) уплотнений;

- аналитическое исследование напряженно-деформированного со стояния одиночных и пакетных уплотнений с использованием инженерной программы ANSYS;

- определение комплексных показателей эффективности модифици рованных и новых уплотнительных устройств.

Реализация работы. Стендово-испытательное оборудование изго товлено и использовалось в Волгоградском заводе буровой техники и в Волгоградском государственном аграрном университете. Разработана и апробирована опытно-промышленная технология модификации резино технических изделий. Уплотнения с резинотканевыми М – образными манжетами на давление до 70 МПа, после испытаний и экспериментальной отработки, использованы в нефтегазовом оборудовании, выпускавшемся в ВЗБТ и в ПО «Баррикады» (Волгоград).

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на 7-й и 8-й Региональных конференциях молодых исследова телей Волгоградской области (2002, 2003), 48-й научной конференции преподавательского состава ВолгГТУ (2011), Международной научно практической конференции «Аграрная наука – основа успешного развития АПК и сохранения экосистем» (Волгоград, 2012), Международной научно практической конференции, посвященная 70 – летию Победы в Сталин градской битве «Интеграция науки и производства – стратегия устойчиво го развития АПК России в ВТО» (Волгоград, 2013).





В полном объёме диссертация доложена и одобрена на научных се минарах ВолгГАУ и ВолгГТУ (2013).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в научных работах, из них 6 – в журналах ВАК РФ, две – в материалах меж дународной конференции;

получено также 2 патента на изобретения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Современное состояние проблемы Стандартных уплотнений возвратно-поступательного действия огра ниченное количество: резиновые кольца круглого, овального и фигурного сечений на давление р 10,5 МПа (иногда используются при р до 16 МПа);

манжеты U – образного сечения, по ГОСТ р до 50 МПа (фактически, как будет показано, значительно меньше);

шевронные (V – образные) резинот каневые манжеты (р 63 МПа). Известно множество уплотнительных уст ройств, созданных изобретателями, но не нашедших заметного распро странения.

В качестве примера покажем пакетные манжетные уплотнения шев ронного типа на повышенное давление рабочей среды (рис. 1). Для герме тизации соединения такие манжеты необходимо «раздавливать», посколь ку на верхней кромке давление рr меньше давления среды (рr / p 1;

рис. 1, в). Но при «раздавливании» (см. остальные позиции рисунка 1) возрастают силы трения, снижается технический ресурс уплотнений.

Известно незначительное количество работ, посвящённых расчётам и теоретическим исследованиям уплотнений, в основном простейших ко лец круглого сечения. Наметилась тенденция привлечения для этих целей математического аппарата метода конечных элементов и теории упруго сти. Уплотнения трактуются как осесимметричные тела, для которых ме тоды расчёта упрощаются.

С помощью этого аппарата ведётся, в частности, расчёт уплотни тельной манжеты вращающегося вала (С.Н. Журавлёва), резиноёмкого уп лотнителя поршня бурового насоса (О.В. Душко, В.И. Пындак), а также круглых колец. В диссертации даны ссылки на известную литературу по методам конечных элементов и теории упругости.

Рис. 1. Пакетные манжетные уплотнительные устройства 2. Технические решения по созданию пакетных уплотнительных устройств и их экспериментальное исследование Первые схемно-конструктивные решения по созданию принципи ально новых пакетных уплотнительных устройств со специальными М – образными резинотканевыми манжетами высокого давления были реали зованы в ОКБ Волгоградского завода буровой техники (мы принимали участие в испытаниях). Разработки выполнены для морского нефтегазово го оборудования на рабочее давление р = 70 МПа, испытательное давление 1,5 р =105 МПа.

Стандартные шевронные манжеты из резиноткани (рис. 2, а) рассчита ны на давление до 63 МПа. Сначала были созданы усиленные уплотнения шевронного типа (рис. 2, б), затем – пакетные уплотнения с М – образными манжетами (рис. 2, в). В состав каждого пакета, кроме манжет 2, входили опорное кольцо 1, нажимная манжета 3 и бронзовое нажимное кольцо 4.

Результаты испытаний (таблица) показывают, что стандартные ман жетыдержат давление р лишь после предварительного поджатия пакета, но давление 1,5р манжеты не держат. Усиленные манжеты не приспосабли ваются к давлению среды. М – образные манжеты функционируют без ог раничений, это подтвердили разнообразные эксперименты, включая опре деление силы трения (снижается почти в 3 раза).

Рис. 2. Пакетные манжетные уплотнения для сравнительных испытаний На основе М – образных манжет разработано несколько вариантов пакетов. Главной особенностью уплотнения двустороннего действия (рис.

3, а) является наличие особого полимерного кольца 3, обеспечивающего работу обеих манжет вне зависимости от направления действия давления.

Уплотнение одностороннего действия (рис. 3, б) предназначено для работы в сложных условиях, например, в составе поршней буровых насосов. Здесь специальное нажимное кольцо 4 заменяет нажимную манжету и металли ческое нажимное кольцо.

Таблица – Результаты испытаний пакетных уплотнений на герметичность чих манжет в поджатие па Макс. давле Число рабо ние при оп Предварит.

рессовке, Наличие кета, мм утечек пакете МПа Тип Оценка работоспо манжеты собности при 70 МПа Есть Неработоспособны 1,0 По ГОСТ Нет Работоспособны 2,5 Есть 2,25 Усиленная Неработоспособны Есть 3,25 Есть 7 4,00 М - образная Нет Работоспособны 5 1,0 Отдельно М – образная манжета в сечении (рис. 3, в) содержит цен тральный выступ 5 и два расположенных по бокам пружинистых уплотни тельных лепестка 6, соединённых с выступом посредством «слабых» пере мычек 7. В лепестках предусмотрены опорная 8 и уплотняющая 9 плоско сти, а также плоскости 10 возможного контакта с соседней манжетой или соответствующими кольцами. Основную нагрузку воспринимают высту пы, а лепестки обеспечивают герметизацию соединения, приспосабливаясь к рабочей среде.

Рис. 3. Уплотнения на основе М – образных манжет Разработаны также уплотнения на основе ранее неизвестных Ж – об разных манжет и оригинальное уплотнение неподвижного соединения.

В работе описаны: пневмогидравлические стенды ВЗБТ для испыта ний уплотнений высокого давления (70 МПа) и наш стенд с гидродвигате лем возвратно-поступательного действия на давление до 40 МПа. Привод ная и исполнительная части стендов не сообщаются между собой, что по зволяет варьировать рабочей средой уплотнений. На стенде ВолГАУ про водили сравнительные испытания пакета по схеме рис. 3, а и стандартных резиновых U – образных манжет.

Для повышения прочности и износостойкости манжет из маслобен зостойкой резины проводили их диффузионную поверхностную модифи кацию. Ранее этой проблемой занимались Ю.А. Анцупов, Ю.Н. Дроздов, О.В. Душко, П.В. Поляков, В.И. Пындак и др.

Метод (технология) модификации заключается в следующем. Моди фикацию проводят на готовых деталях (в нашем случае на стандартных ре зиновых U – образных манжетах) путём их выдержки в специальном рас творе. Проводили также исследования на образцах из маслобензостойкой резины III группы марки 7-3825. Для экспериментов использовали раствор дифенилгуанидина и хлороформа, время обработки 10…24 часов;

для манжет достаточно 10 часов. После этого проводят сушку деталей при 60°С до удаления раствора и термофиксацию при температуре 140…150°С на протяжении 1…2 часов. Хлороформ, как органический растворитель каучука повышает способность к набуханию резины, создавая условия для сшивания и проникновения молекул вулканизирующих веществ (раство ренных в нем) в поверхностный слой резины. Дифенилгуанидин способст вует получению высокомодульных резин и применяется в качестве уско рителя вулканизации.

Глубина модификации при минимальном времени обработки 1,0…1, мм, твёрдость поверхностного слоя 81 ед., коэффициент трения по стали снижается в 2 раза. Модуль упругости Е на поверхности повышается в среднем в 60 раз при сохранении эластичности сердцевины детали.

Экспериментально определяли модуль Е образцов из резиноткани (марка резины 51-3058-1 и ткань Доместик) по четырём вариантам опытов при нагружении усилием до 70 кН;

испытания проводили также на образ цах из полиуретана. Для резиноткани Е = 580…610 МПа, для полиуретана – примерно в 11 раз меньше, но в 3,5 раза больше, чем Е резины повышен ной твёрдости. На образцах из резины (после модификации) определяли твердость с помощью прибора ТИР 2033, которая составила 82 единиц по Шору А. По известной методике на наклонной стальной плоскости нахо дили коэффициент трения для всех образцов: для резины без модификации f 0,25;

после модификации f 0,125;

для резиноткани f 0,18.

Проводили сравнительное экспериментальное исследование уплот нений со стандартными U – образными манжетами, этими же, но модифи цированными, манжетами и с новыми М – образными манжетами из рези ноткани. Определяли, в частности, утечки q через уплотнения в зависимо сти от давления р среды (рис. 4).

Рис.4. Утечки через уплотнения (D = 105 мм) При р = 25 МПа через U – образные, в том числе модифицированные (Uмод), манжеты наблюдаются повышенные утечки. Это означает, и будет подтверждено ниже, что для стандартных манжет это критическое давле ние. Минимальные утечки q (всего 1 мл/мин) характерны для М – образ ных манжет, это результат действия их самоустанавливающихся пружини стых лепестков.

Определяли и другие показатели, в том числе наработку уплотнений по критерию утечек (рис. 5). Технический ресурс стандартных манжет за фиксирован на уровне всего 47 часов, а модифицированных манжет – поч ти в 6 раз больше.

Рис. 5. Наработка уплотнений по критерию утечек (р = 30 МПа) Отсутствие утечек (q = 0) при наработке до 53 часов свидетельствует о приработке и саморегулировании М – образных манжет. Здесь испытания за кончились при t = 300 часов, хотя утечки не достигли критического уровня.

С помощью тензодатчиков, установленных на штоках цилиндров (имитаторах) экспериментально определяли усилия.

3. Исследование пакетных манжетных уплотнительных устройств Элемент уплотнения, как частица осесимметричного тела, воспри нимает нормальные и касательные напряжения. Многие авторы отмечают, что при деформации 10…15% напряжения в упругом теле подчиняются линейному закону Гука, что упрощает задачу.

Потенциальную энергию при работе уплотнительного устройства можно записать в виде:

где ur, r, uz, z – деформации (перемещения);

u/r – деформация по углу;

v, s – объём пакета и площадь действия давления;

q – распределённая на грузка, МПа;

r – текущая координата;

Fтр – сила трения;

l – смещение под действием нагрузки;

l1 – длина линий контакта при движении.

Дискретизация уплотнения в сечении осуществлялась четырёхуголь ными восьмиузловыми и треугольными шестиузловыми изопараметриче скими элементами в глобальных цилиндрических координатах (r, z), где z – ось вращения модели.

Функции формы для конечного четырёхугольного элемента первона чально записываются в терминах локальных координат (, ):

.

Далее раскрываются выражения N1, N2…N8 и записывается смеще ние {U}={u} внутри элемента. После этого определяются напряжения {}=[D]{}, где [D] – матрица деформации.

В конечном итоге потенциальная энергия W уплотнения записывает ся в матричном виде. Это позволяет решать задачи напряжённо деформированного состояния уплотнений. Для решения этих задач ис пользовали инженерный программный комплекс ANSYS, который позволя ет определять смещения (перемещения), напряжения, упругие деформа ции, контактные давления на уплотняемые поверхности, силы трения и т.п.

Объектами расчётов были уплотнения, которые подвергались экспе риментальным исследованиям, а именно: U – образные резиновые манже ты;

те же манжеты, но модифицированные;

уплотнения с М – образными манжетами из резиноткани. Их модуль упругости Е принимали на основа нии экспериментальных и литературных данных: для резины повышенной твёрдости Е0 = 20 МПа;

на поверхности модифицированной резины Е1 = 60Е0 = 1200 МПа;

для резиноткани при давлениях р 25 МПа Е = МПа, при р 30 МПа Е = 610 МПа;

для фторопласта – материала кольца, взаимодействующего с М – образными манжетами (рис.3, а), Е = 850 МПа.

Объектами расчётов были также М – образные манжеты из полиуретана (Е = 46 МПа).

Выполнена интерпретация программы ANSYS для исследования мно гокомпонентных уплотнительных устройств. Для уплотнительных пакетов с двумерной постановкой задачи подходит элемент PLANE 183. Резина трактуется как гиперупругий материал, резиноткань – как упругопластич ный несжимаемый материал. Используется модель Кулонова трения, в ко торой сдвигающее напряжение зависит от контактного давления р и сопро тивления трения покоя СОНЕ: = fp + COHE.

Напряжённо-деформированное состояние уплотнений оценивали по показателям: величина и характер распределения напряжений по всему се чению манжеты;

деформации манжеты;

контактные давления (напряже ния) по плоскостям взаимодействия с цилиндром. Нагружение манжеты и возникающие при этом напряжения сжатия характеризуют полученные на компьютере цветные «картинки» сечения.

К примеру, при критическом давлении рабочей среды р = 25 МПа (для стандартной U – образной манжеты без модификации), всё сечение находится под напряжением до 12 МПа (рис. 6, а). Лишь на периферии тыльной стороны манжеты фиксируются «вкрапления» жёлтого цвета – напряжения до 22,5 МПа, свидетельствующие о начале негативного про цесса – выдавливании резины в уплотняемый зазор. Этот процесс усугуб ляется при повышении давления до конечной величины 35 МПа.

Рис. 6. Напряжённо-деформированное состояние (а) и контактные напряжения (б) U – образной манжеты без модификации при р = 25 МПа При р = 25 МПа напряжения r (контактные давления) на внешних плоскостях манжеты достигают 26 МПа (рис. 6, б). Здесь условие гермети зации соединения следующее: r = р + 1 МПа.

Совершенно иной характер распределения напряжений по сечению U – образных манжет – после их диффузионной поверхностной модифика ции. В расчётах принято: глубина модификации 1 мм;

модифицированный слой условно разбивается на 3 слоя – в каждом слое свой модуль упруго сти Е в диапазоне от 1200 до 20 МПа.

При нагружении таких манжет основные напряжения сосредотачи ваются в приповерхностном слое. В частности, при давлении рабочей сре ды р = 20…30 МПа возникают высокие локальные напряжения в раструбе манжеты и по краям тыльной стороны манжеты, достигая в отдельных местах 150 МПа (!). При этом фон напряжений сердцевины манжеты со ставляет 15 МПа. Это обеспечивает высокие эластичные и демпфирую щие свойства манжеты.

При максимальном давлении р = 35 МПа, принятом в расчётах U образных модифицированных манжет, напряжения в сердцевине сохраня ются на уровне 15 МПа, а площадь «вкраплений» увеличивается, здесь напряжения стабилизуются и по-прежнему составляют 150 МПа (рис. 7, а). Весьма важно, что концы уплотнительных лепестков манжеты не пере гружаются, но напряжение стабильно превосходит давление р, что обеспе чивает герметизацию соединения. Это особенность функционирования не стандартных, а модифицированных U – образных манжет.

Рис. 7. Напряжённо-деформированные состояние (а) и контактные напряжения (б) U – образной модифицированной манжеты при р = 35 МПа Контактные (герметизирующие) напряжения на внешних уплотни тельных поверхностях манжеты (на примере р = 35 МПа) распределяются фрагментарно (рис. 7, б). Но максимальный уровень напряжений r дости гает 55 МПа, что в 1,6 раза превосходит давление р.

Аналитические исследования М – образных манжет выполнены в со ставе пакетного уплотнения (рис. 3, а). Это стало возможным потому, что при наличии промежуточного кольца из фторопласта определяющие осе вые усилия передаются через центральные выступы манжет вне зависимо сти от их ориентирования.

При давлениях р до 35 МПа М – образные манжеты полностью не раскрывают свои возможности. Например, при р = 25…30 МПа напряже ния сжатия по оси выступов манжет достигают 90 МПа – с локальными «вкраплениями» до 120 МПа (рис. 8, а). Столь высокие напряжения не от носятся к пружинистым уплотняющим лепесткам, которые определяют герметизирующие свойства уплотнения;

здесь основной фон напряжений 15 МПа.

То, что при такой нагрузке возможности манжет не исчерпаны сви детельствует отсутствие контакта тыльных плоскостей лепестков с проме жуточным кольцом. Такой контакт происходит лишь при р = 70 МПа, в этом случае напряжения сжатия в выступах манжет достигает 120 МПа.

При р = 35 МПа контактные давления в виде пиков напряжений r на уплотняющих кромках лепестков характеризуются величиной 120 МПа (рис. 8, б). Это обеспечивает надёжную герметизацию соединения:

3,4. В реальных уплотнениях пики напряжений r сглаживаются.

Рис. 8. Напряжённо-деформированное состояние уплотнения (а) и кон тактные напряжения (б) с М - образными манжетами при р = 35 МПа Важнейшие показатели – силы трения уплотнений, зафиксированные экспериментально (глава 2) и аналитически, представлены в виде сравни тельных данных (рис. 9). Здесь индекс Т означает: теоретические данные.

При расчётах приняты коэффициенты трения: для U – образных манжет без модификации f = 0,25;

для тех же манжет с модификацией f = 0,125;

для резинотканевых М – образных манжет f = 0,18.

Рис. 9. Эксперименталь ные и теоретические зна чения силы трения уплот нений.

Сравнение полученных (в виде графиков) данных позволяет опреде лить – с определённой долей условности – области существования манжет.

Обоснованная область для U – образных манжет (без модификации) огра ничивается давлением р 18 МПа;

на это указывает точка U1 пересечения экспериментальной и теоретической кривых. Для модифицированных манжет пересечение кривых в точке U2 сдвигается до р 38 МПа.

Точка пересечения кривых для М – образных манжет находится за пределами графиков (рис. 9) и соответствует давлению р 70 МПа. Эти данные в основном подтверждаются представленными выше расчётами.

4. Эффективность новых уплотнительных устройств Для оценки новых (модифицированных) уплотнительных устройств предложены комплексные показатели эффективности. Рассматриваются U – образные модифицированные и М – образные манжеты в сравнении со стандартными U – образными манжетами. Вводятся коэффициенты и пока затели: кд, км – коэффициенты соотношения стоимости сопоставимых манжет;

qд, qм – показатели технического ресурса манжет;

nд, nм – показа тели эксплуатационно-технологических характеристик новых уплотнений;

mд, mм – показатели «расширение области применения» уплотнений.

Комплексные показатели эффективности соответственно U – образ ных модифицированных и М – образных манжет определяются:

Значение входящих в эти зависимости коэффициентов и показателей определяются на основании экспериментальных данных и экспертных оценок.

После преобразований и интерпретации комплексные показатели имеют значения: Эд = 5,9;

Эм = 22,5.

Эти показатели позволяют судить о преимуществах новых разрабо ток, дают представление об их экономических и научно-технических ас пектах, оценивают возможности предлагаемых новшеств. Представленный материал можно использовать для рекламы новой продукции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Решена научно-техническая задача увеличения долговечности уп лотнительных устройств при повышенном давлении за счет разработки но вых М - образных резинотканевых манжет одно – и двустороннего дейст вия (до 70 МПа) и модифицированных U – образных резиновых манжет (до 40 МПа).

Разработана методика определения напряженно 2.

деформированного состояния предложенных уплотнительных устройств, учитывающих конфигурацию, упругие свойства и материал пакетных манжетных уплотнительных устройств.

3. Для сравнительных экспериментальных исследований серийных и новых уплотнений создано стендовое испытательное оборудование с имита цией условий эксплуатации. В нетрадиционной рабочей среде пакеты с М – образными резинотканевыми манжетами обеспечивают надёжную гермети зацию соединений при давлении 70 МПа и снижении в 3 раза силы трения.

4. Усовершенствована и экспериментально подтверждена технология диффузионной поверхностной модификации резиновых U- образных ман жет, в результате чего модуль упругости поверхностного слоя повышается в среднем в 60 раз, в 2 раза снижается коэффициент трения, увеличивается технический ресурс манжет.

5. Результаты теоретических и экспериментальных исследований по казали, что при давлении до 30 МПа М – образные манжеты обеспечили наработку более 300 часов, модифицированные U – образные до 280 часов, при этом сила трения снижается до 2 раз.

6. Определение напряжённо-деформированного состояния и экспе риментальная проверка уплотнений с М – образными манжетами показали работоспособность при давлении до 70 МПа.

7. Предложено эффективность новых уплотнительных устройств оп ределять посредством комплексных показателей, учитывающие стоимост ные и эксплуатационно-технологические характеристики, а также расши рение области их применения.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ 1. Для снижения энергоемкости и повышения износостойкости при давлениях рабочей среды до 40 МПа производить диффузионную модифика цию серийных резиновых U – образных манжет ответственного назначения.

2. Для пакетных уплотнений оборудования, работающего в сложных условиях при давлении до 70 МПа (в частности, нефтегазового оборудова ния) использовать М – образные манжеты с предложенной компоновкой пакетов.

3. Инженерные расчеты напряженно-деформированного состояния уплотнительных устройств, в том числе модифицированных и пакетных, производить с использованием программы ANSYS.

Перспективы дальнейшей разработки темы 1.Разработать и апробировать технологию диффузионной поверхно стной модификации резинотехнических изделий одновременно с их произ водством.

2. Выполнить комплекс исследований по расширению области при менения манжет нетрадиционного сечения, в том числе за счет создания Ж - образных манжет двустороннего действия.

3. Продолжить работы по изготовлению манжет методом точения на станках с программным управлением из полимерных теплостойких мате риалов с повышенным модулем упругости.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

В изданиях рекомендованных ВАК РФ 1. Пындак, В.И. Перспективные уплотнения в блочно-модульном ис полнении / В.И. Пындак, А.В. Дяшкин, Ю.Г. Лапынин // Сборка в машино строении, приборостроении. – 2005. – №10. – С. 35-37.

2. Пындак, В.И. Уплотнительные устройства высокого давления для наземного и морского нефтегазового оборудования / В.И. Пындак, А.В.

Дяшкин, Ю.Г. Лапынин // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. – 2011. – №5. – С. 5-7.

3. Пындак, В.И. Повышение эксплуатационно-технологических по казателей уплотнительных устройств поршневых гидропневмоагрегатов / В.И. Пындак, А.В. Дяшкин, Ю.Г. Лапынин // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса. – 2011. – №2 (22). – С. 34-40.

4. Пындак, В.И. Пакетные манжетные уплотнения высокого давле ния и их напряжённо-деформированное состояние / В.И. Пындак, А.В.

Дяшкин // Вестник машиностроения. – 2012. – №10 – С. 33-36.

5. Пындак, В.И. Повышение надёжности и долговечности уплотни тельных устройств машин и оборудования / В.И. Пындак, А.В. Дяшкин, С.Д. Фомин // Проблемы машиностроения и надёжности машин. – 2012. – № 6. – С. 59-62.

6. Пындак, В.И. Комплексные показатели эффективности усовер шенствований сельскохозяйственной техники / В.И. Пындак, А.В. Дяшкин, С.Д. Фомин // Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук. – 2013. – № 2 – С. 81-83.

Патенты РФ 7. Патент № 2194898 РФ, МПК7 F 16 j 15/32. Уплотнительное уст ройство для цилиндрических пар гидропневмомашин / В.И. Пындак, Ю.Г.

Лапынин, О.В. Душко, А.В. Дяшкин. – Опубл. 2002. Бюл. №35 – 7 с.

8. Патент № 2195593 РФ, МПК7 F 16 j 15/32. Уплотнительное уст ройство для цилиндрических пар гидропневмомашин / В.И. Пындак, А.В.

Дяшкин, Ю.Г. Лапынин, О.В. Душко. – Опубл. 2002. Бюл. №36 – 7 с.

В других изданиях 9. Дяшкин, А.В. Напряжённо-деформированное состояние пакетных уплотнений высокого давления / А.В. Дяшкин //Аграрная наука – основа успешного развития АПК и сохранения экосистем: Материалы Междунар.

научно-практ. конф. – Т. 1. – Волгоград, 2012. – С. 418 – 421.

10. Дяшкин, А.В. Упрочнение резиновых манжетных уплотнений / А.В. Дяшкин // Интеграция науки и производства – стратегия устойчивого развития АПК России в ВТО: Материалы Междунар. научно-практ. конф.

– Т. 5. – Волгоград, 2013. – С. 101 – 104.

11. Пындак, В.И. Высокоэффективное уплотнение для неподвижных соединений гидросистем / В.И. Пындак, А.В. Дяшкин, В.З. Азиев // Вест ник ВГСХА. – 2006. – №2 (2). – С. 71-73.

12. Пындак, В.И. Повышение эффективности пакетных манжетных уплотнений / В.И. Пындак, Ю.Г. Лапынин, А.В. Дяшкин // Информ. листок № 51-195-01 ВолЦНТИ. – 4 с.

13. Пындак, В.И. Высокоэффективное уплотнение для гидропневмо приводов возвратно-поступательного действия / В.И. Пындак, Ю.Г. Лапы нин, А.В. Дяшкин // ИЛ № 51-057-03 ВолЦНТИ. – 4с.

14. Пындак, В.И. Уплотнение двустороннего действия для поршне вых гидропневмоприводов / В.И. Пындак, Ю.Г. Лапынин, А.В. Дяшкин // ИЛ № 51-104-03 ВолЦНТИ. – 4 с.

15. Пындак, В.И. Стенд для сравнительных испытаний / В.И. Пын дак, Ю.Г. Лапынин, А.В. Дяшкин // ИЛ № 51-026-05 ВолЦНТИ. – 4 с.

16. Пындак, В.И. Пакетные манжетные уплотнения для высоких и сверхвысоких давлений / В.И. Пындак, А.В. Дяшкин // Проект № ППТ 051-006-2006 / ВолЦНТИ. – 6 с.

17. Пындак, В.И. Диффузионная поверхностная модификация для упрочнения резинотехнических изделий / В.И. Пындак, А.В. Дяшкин // Проект № ППТ-051-007-2006 / ВолЦНТИ. – 4 с.

18. Пындак, В.И. Повышение эксплуатационных показателей рези новых уплотнений / В.И. Пындак, А.В. Дяшкин // ИЛ № 34-063-12 Во лЦНТИ. – 4 с.

В авторской редакции Подписано в печать 07.11.13. Формат 60841/ Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 361.

ИПК ФГБОУ ВПО Волгоградский ГАУ «Нива»

400002, г. Волгоград, пр. Университетский, 26.



 

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.