автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Исследование влияния формы сильфонов на долговечность.

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Объект исследования и общая схема решения зад ачр-.о.

1.2. Основные целевые функции, используемые при решении задачи.

1.3. Критический анализ существующих расчетных схем определения напряженного состояния сильфонов

1.4. Рассмотрение существующих методов выбора сильфонов максимальной долговечности из заданной совокупности.

1.5. Обоснование теш и задачи исследования.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕННО-ЛШОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ СИЛЬФОНОВ С ПРОИЗВОЛЬНОЙ ФОРМОЙ МЕРИДИАНА.

2.1. Характеристические уравнения расчета сильфонов

2.2. Расчет сильфонов по схеме первого порядка точности.

2.3. Анализ сходимости решения

2.4. Вычисление функциональной матрицы к выбор шага интегрирования

2.5. Способ интегрирования характеристических уравнений с произвольной степенью точности.

2.6. Алгоритм расчета напряженного состояния сильфонов.

Выводы

3. ИССЛЕДОВАНИЕ КОРРЕЛЯЦИОННОЙ СВЯЗИ ФУНКЦИЙ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ С ДОЛГОВЕЧНОСТЬЮ СИЛЬФОНОВ

3.1. Программа и методика исследования

3.1 Л. Цель исследования.

3.1.2. Объект исследования

3.1.3. Стенд для испытания сильфонов

3.1.4. Порядок стендовых испытаний

3.1.5. Статистические методы обработки результатов испытаний.

3.1.6. Пример проведения корреляционного анализа % 3.2. Результаты экспериментальных исследований ПО

Выводы.Ц

4. СОЗДАНИЕ МЕТОДИКИ ВЫБОРА НАИБОЛЕЕ ДОЛГОВЕЧНЫХ

СИЛЬФОНОВ.

4.1. Постановка задачи и метод ее решения. . . . П

4.2. Построение методики выбора наиболее долговечных сильфонов

4.3. Алгоритм построения огибающей сильфона.

4.3.1. Исходные данные.

4.3.2. Изменение исходной матрицы при последовательном переборе точек меридиана срединной поверхности

4.3.3. Построение огибающей сильфона

4.4. Исследование влияния геометрических параметров на долговечность однослойных сильфонов

4.5. Пример использования методики выбора наиболее долговечных многослойных сильфонов

4.6. Результаты экспериментального исследования влияния формы сильфона на его долговечность

Выводы.

В решениях ХХУ съезда КПСС намечены основные факторы повышения производства. Важнейшими из этих факторов являются максимальное использование производственных фондов и всемерное снижение материалоемкости продукции путем широкого применения прогрессивных конструкторских решений. Для выполнения этих задач необходимо в значительной степени повысить надежность работы конструкции. Особое внимание при этом уделяется повышению надежности и долговечности ответственных элементов конструкций, с отказом которых конструкция теряет свои эксплуатационные характеристики, Одним из таких элементов конструкции является сильфон.Исследованию долговечности однослойных металлических сйльфонов посвящен ряд работ Р.М.Шнейдеровича, М.В.Гокуна, Г.Е.Зверькова, Л.А.Штейнбока, Н.М.Савкина и других.В работах /"15, 26, 36, 68/ задача определения долговечности сйльфонов поставлена как задача прогнозирования долговечности, решаемая на основе обширного статистического материала. Такой подход позволяет оценить статистически значицую разность в долговечности сйльфонов по их напряженно!(!у состоянию. Однако он требует длительных и дорогостоящих экспериментальных исследований.В работе Л.Д.Луганцева/'ЗЭ/ предложен другой более перспективный подход к проблеме долговечности, поскольку он в значительной степени сокращает затраты на исследования. Автор сформулировал задачу определения геометрических параметров сильфона, обладающего наибольшей долговечностью, как задачу безусловной оптимизации геометрии тороидального сильфонного компенсатора. - 5 Однако расчетная схема, рассмотренная в этой работе не учитывает изменения геометрии формы сильфона, связанного с технологией его изготовления. При существующих способах изготовления сильфонов реальные геометрические размеры сильфонов отличаются от гостовских. Например, для сильфонов, выполненных гидравлическим способом, в районе выступ,а происходит утонение и уменьшение радиуса закругления, а в районе впадины утолщение и увеличение радиуса закругления, Разностенность сильфона при этом достигает 30^. Кроме того, расчетная схема/39у неприменима к сильфонам с произвольным профилем.Целью данной работы является исследование влияния формы сильфонов на долговечность.Актуальность этого исследования вызвана низким ресурсом сильфонов, применяемых в химическом и нефтяном машиностроении в качестве бессальниковых уплотнителей и ограниченностью существующих методик определения геометрии наиболее долговечных сильфонов.Автором получены следующие новые результаты: 1. Создана новая расчетная схема определения напряженно-деформированного состояния сильфонов с произвольной формой профиля.2, Разработана новая методика выбора сильфонов с максимальной долговечностью при различных заданных усиовиях нагружения.На основе разработанной методики определена геометрия сильфонов, обладающих повышенным ресурсом для загнанных условий нагружения.Полученные результаты выносятся на защиту. Кроме того, на защиту выносятся: Доказательство наличия устойчивой корреляционной связи напряженного состояния сильфонов с их долговечностью. - 6 Экспериментальное подтверждение методики выбора сильфонов с максимальной долговечностью при различных заданных условиях нагружения.Сильфоны, рассчитанные по предложенной методике изготовлены, испытаны и нашли применение в газлифтных клапанах типа 1Ю25 и КС38, Результаты работы внедрены на предприятиях ЛПО "Знамя Труда" Ленинград, НИИТЕЗШОПРИБОР г.Смоленск.Экономический эффект внедренных результатов работы составил 62500 рублей в год. - 7 I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА й ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ

6. Результаты исследования с положительным эффектом использованы в промышленности. Сильфоны, рассчитанные по предложенному методу, нашли применение в газлифтных клапанах КС25 и КС38.

1. Айвазян С.А. Статистические исследования зависимостей -М: Металлургия, 1968. - 227 с,

2. Аксельрад Э.Л. Периодическое решение осесимметричной задачи теории оболочек. МТТ, 1966, * 2, с.77-83.

3. Аксельрад Э.Л. Гибкие оболочки. М.: Наука, 1976, - 376 с.

4. Андреева Л.Е., Петровский В.В. Решение нелинейных задач осесимметричного деформирования на основе метода В.В. Власова В.В.Петрова. - Известия вузов. Машиностроение, 1972,8, с.173-175.

5. Болыпев А.Н., Смирнов Н.В. Таблицы математической статистики. М: Наука, 1965. -474 с.

6. Бахвалов Н.С. Численные методы, т.1. -М,: Наука, 1967, -576 с.

7. Бидерман В.Л. Механика тонкостенных конструкций. -М.: Машиностроение, 1977. -498 с.

8. Булгаков В.Н. Статика тороидальных оболочек. Киев: Издательство УССР, 1962. - 100 с.

9. Бурцев К.Н. Металлические сильфоны. М. -Л.: Машгиз, 1963, - 163 с.

10. Ваймберг Д.В., Щдан В.З. Матричные алгоритмы в теории оболочек вращения. Киев: Наукова Думка, 1967. - 164 с.

11. Вейбулл В. Усталостные испытания и анализ их результатов. М.: Машиностроение, 1964. - 275 с.

12. Волков А.Н. Определение продольной жесткости гофрированных оболочек применительно к расчету сильфонов. Инж.журнал, 1962, 2, * 2, С.368-372.

13. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. -М.: Наука, 1967. -576 с.

14. Годунов С.К., Рябенький B.C. Разностные схемы. М.: Наука, 1977. - 440 с.

15. Гокун М.В., Шнейдерович P.M. Расчет компенсаторовна малоцикловую прочность. Машиноведение, 1971, № 4, с.69-75.

16. Гусенко^А.П., Лукин Ю.Б. Прочность при малоцикловом нагружении гибких металлических рукавов. Проблемы прочности, 1972, * I, с.98-104.

17. Гольденвейзер А.Л. Теория упругих тонких оболочек. -М.: Наука, 1976. 512 с.

18. Гуревич Д.Ф. Расчет и конструирование трубопроводной арматуры. -Л.: Машиностроение, 1969. 887 с.

19. Длин A.M. Математическая статистика в технике. М.: Советская наука, 1958. - 466 с.

20. Дьяченко А.Н. Напряженно-деформированное состояние сильфонов и его связь с долговечностью при циклическом нагружении. -Дис.канд.техн.наук. -Л., 1966. 94 с.

21. Дьяченко А.Н., Завьялова М.И., Свердлова Н.Г. Номограммы рационального выбора сильфона на заданные условия работы.- Арматуростроение, 1973, № 3, с.30-41.

22. Дьяченко А.Н., Кабельский М.И. и др. Исследование долговечности и надежности сильфонов. Отчет по теме 21-64.

23. Жуков В.Б. Осевая жесткость бесшовного сильфона. Вестник машиностроения, 1966, № 2, с.27-29.

24. Зажигаев Л.С., Кишьян А.А., Романиков Ю.И. Методы планирования и обработки результатов физического эксперимента. -М.: Атомиздат, 1978. -231 с.

25. Зенкевич 0. Метод конечных элементов. -М.: Мир, 1975. -541 с.

26. Зверьков Г.Ё., Мартыненков Ю.Ф,, Штейнбок Л.А. Циклическая прочность сильфонов при различных нагрузках и сехмах работы. Приборы и системы управления, 1973, № 7, с.49-50.

27. Зверьков Г.Е., Беседа А.И., Летов Л.А. Влияние формы профиля однослойных сильфонов на их долговечность. Арматуро-строение, 1977, № 10, с.34-45.

28. Иванова B.C., Терентьев В.Ф. Природа усталости металлов. М.: Машиностроение, 1975. - 324 с.

29. Ильичев В.А., Тер-Месробьян Э.Б., Шиндлер С.И. Приведение редкозаполненной матрицы к ленточному виду для решения задач прочности в арматуростроении. Арматуростроение, 1975,7, с.58-64.

30. Ильичев В.А., Дьяченко А.Н., Кабельекий М.И. К вопросу расчета оболочки вращения в случае аналитического задания ее образующей. Арматуростроение, 1977, № 9, с.26»-30.

31. Ильичев В.А. Алгоритм матричного метода расчета напряженно-деформированного состояния сильфонов произвольной геометрии. Ленинград, 1979. - 9 с. - Рукопись представлена Ленинград. Сев.- Зап. заочн. полит.ин-том. Деп. в ВИНИТИ 14 авг.1979,3063-79.

32. Ильичев В.А. Методика построения номограммы циклической прочности сильфонов. Ленинград, 1979, - 14 с. - Рукопись представлена Ленинград. Сев. - Зап. заочн. полит, ин-том. Деп. в ВИНИТИ 14 авг. 1979, * 3064-79.

33. Ильичев В.А., Дьяченко А.Н. и др. Проведение исследований по разработке методов оценки усталостной прочности (ресурса) многослойных сильфонов на основе их напряженного состояния, -Отчет НИР. Per. * 76045346. СЗПИ, Л. 1977, 153 с.

34. Королев В.И. Расчет сильфонов. Вестник МГУ, 1954, № 9, с.82-90.

35. Коцаньда С. Усталостное разрушение металлов. -М.: Металлургия, 1976, 455 с.

36. Кудрин Ю.Б., Гуков И.И. и др. Разработка методов определения надежности, методики ускоренных испытаний по определению надежности сильфонов. Отчет по теме 27-64, 30У.007.000.

37. Лаупа А., Вейл Н.А. Расчет компенсаторов с U -образными гофрамн. Прикладная механика, 1962, Б., 29, $ I, С.130-139.

38. Лахтин А.А. К расчету некоторых деталей, включающих торообразные части. Инж.сб., 1958, т.26, с.82-91.

39. Луганцев Л.Д. О задаче оптимального проектирования сильфонных компенсаторов. В кн.: Расчеты на прочность. 1979, т.20, с.90-101.

40. Лундберг Б.0. Усталостная прочность и: долговечность самолетных конструкций. М.: Машиностроение, 1965, - 591 с.

41. Митропольский А.К. Техника статистических вычислений. -М.: Физматизд&т, 1961. 479 с.

42. Новожилов В.В. Теория тонких оболочек. Л.: Судпром-гиз, 1951. - 431 с.

43. Прайор Ц.В., Баркер P.O. Метод конечных элементов с учетом поперечного сдвига в приложении к расчету слоистых пластинок. Ракетная техника и космонавтика,, 1972, т.9, № 5, с.180-194.

44. Расчет и конструирование трубопроводов.Под общ.ред. Б.В.Зверькова и др. -Л.: Машиностроение, 1979. 245 с.

45. Савкин Н.М. Расчет сильфонов на осесимметричную нагрузку. Изв.вузов. Машиностроение, 1969, * 8, с.56-61.

46. Серенсен С.В. Об оценке долговечности при изменяющейся амплитуде напряжения. Вестник машиностроения, 1944, № 7, с.1-7.

47. Сильфоны. Расчет и проектирование. Л.Е.Андреева и др. -М.: Машиностроение, 1975. 160 с.

48. Смирнов Н.В., Дунин-Барковский И.В. Курс теории вероятности и математической статистики для технических приложений. -М.: Наука, 1965, -511 с.

49. Точность производства в машиностроении и приборостроении. Под ред.А.Н.Гаврилова. М.: Машиностроение, 1973, 560 с.

50. Фаддеев Д.К., Фадеева В.Н. Вычислительные методы линейной алгебры. -Мо: Физматгиз, I960. -734 с.

51. Феодосьев В,И. К расчету гофрированных коробок сильфонов. Инж.сб., 1974, т.4, вып.I, С.21-30.

52. Филин А. П. Прикладная механика твердого деформируемого тела, в 2 т. -М.: Наука, 1975, т.1, -832 с.

53. Фихтенгольц Г.М. Курс дифференциального и интегрального исчисления, в 3 т. М.: Физматгиз, 1962, т.2, - 807 с.

54. Флаэрти A.G., Вафакос Р.С. Асимптотическое решение для цилиндрических оболочек некругового поперечного сечения, находящихся под давлением и подкрепленных шпангоутами переменного сечения. Ракетная техника и космонавтика, 1971, т.9, № 9,с.77-82.

55. Форрест П. Усталость металлов. М.: Машиностроение, 1968, -456 с.

56. Хейр Е. Количественный анализ исследования усталостной прочности. -В кн.: Усталостная прочность и долговечность самолетных конструкций, с.591, М.: Машиностроение, 1965.

57. Хэйвуд Р.Б. Проектирование с учетом усталости. М.: Машиностроение, 1969. -504 с.

58. Хосака Масанао. Сварные металлические сильфоны. Кикай Эндзиния, 1967, т.9, * 2, с.93-96.

59. Чернина В.ОС. Статика тонкостенных оболочек вращения. -М.: Наука, 1968, 456 с.

60. Эрдоган §. Теория распространения трещин. В кн.: Разрушение, с.634. Под общ.ред.Г.Либовиц. -М.: Мир, 1975.

61. Со//in I.E. Ana fyiicat met/todi in I Ре j/cso/y о/jhenttaLn fympoizu/r? 3ouLon, /960(attp.9o-9&.

62. ЮоппеР /./-/ 'TAe /Axcfo'etp о/ Шгги^а&с?pifj u/wtez etude f>а/ /огш and Mnс/сл^ц Tzaxj. AS ME, J952, T 54, A/*// p. 69- 75.

63. A/a fate, vzif. г/2, /966, pS070-5074.64.//azc7?fx У.А. Jmtafafcty of Jutyc/ect & tniezrraf pWWU. P/}l£c/>i шеагсб /95Z, 7,p/S9-f36.

64. Won (.M.^azdzatA //.P. £//ec/i of cAanycya^^tude on Me za/e of /а/суие czacA />*о/>ара/Со/? in two a/u/peniu/r? a&opj. fzactuzs A/ecrfanccj. /969} /,7z. 3, f.66. //. W. Appfred Afa/euaf fiawzcA, /964, p./7-24.

65. Яо^ег/j /fv Ero/o^an f. Journal of Зале ffiftееи/у. Tzani. AS ME, /967, ш.2)., Eeamtfez, p.**5-s92.6&. Tatfeda Sfiin* CCAlzo. ffaj to/necA алеся? zejearcAei on Ш mettaf/cc fe&owi. fiepozt TecA/?. CoSP. //<?jei Unc tr., /963, А/Ч6, p. /-27.