автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Обеспечение работоспособности деталей металлополимерных клапанных уплотнений

“ АПР 2000

Державний університет “Львівська політехніка”

' ШЕРЕМЕТА РОМАН МИКИТОВИЧ

,К 621.646.93

ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ПРАЦЕЗДАТНОСТІ ДЕТАЛЕЙ МЕТАЛОПОЛІМЕРНИХ КЛАПАННИХ УЩІЛЬНЕНЬ

Спеціальність 05.02.02 - Машинознавство

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Львів - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Державному університеті “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України.

Наукові керівники - кандидат технічних наук, доцент Беспалов Костянтин Івановичі,

Державний університет “Львівська політехніка”, професор

доктор технічних наук, доцент Харченко Євген Валентинович,

Державний університет “Львівська політехніка”, доцент

Офіційні опоненти - доктор технічних наук, професор

Кіницький Ярослав Тимофійович,

Технологічний університет Поділля (м. Хмельницький), завідувач кафедри

кандидат технічних наук, доцент Пасіка В’ячеслав Романович,

Українська академія друкарства доцент

Провідна установа - Одеський державний політехнічний університет,

кафедра “Машинознавство і деталі машин”, Міністерство освіти і науки України, м. Одеса

Захист відбудеться 29 березня 2000 року о 1200 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.06 при Державному університеті “Львівська політехніка” за адресою: 79646, м. Львів-13, вул. С. Бандери, 12, ауд. 226.

З дисертацією можна ознайомитися в науково-технічній бібліотеці Державного університету “Львівська політехніка* за адресою: 79013, Львів-13, вул. Професорська, 1.

Автореферат розісланий _______2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

Форнальчик Є. Ю.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На сучасному етапі розвитку машинобудування, у таких галузях як енергетика, нафтохімія, електронне виробництво, космічні дослідження та інші, постає нагальна потреба піднесення технічного рівня ущільнюючих пристроїв. Інтенсифікація технологічних процесів, підвищення якості продукції, економія матеріальних і енергетичних ресурсів у багатьох випадках визначаються можливостями забезпечення високих фізичних показників робочих середовищ. Досягнення високого вакууму чи високого тиску в машинах, технологічних або дослідницьких апаратах можливе лише за наявності ефективних герметизуючих з’єднань. Тому ущільнення, за допомогою яких здійснюється ізоляція робочих середовищ, належать до основних елементів технологічного обладнання. Від якісних показників ущільнюючих пристроїв значною мірою залежать надійність машини чи апарата в цілому. Основний критерій працездатності ущільнюючого пристрою - його герметичність.

В системах транспортування, зберігання, комутації і регулювання витрат робочих середовищ широко застосовуються металополімерні клапанні ущільнення. Основні іехнічні харакіеристики ущільнень (герметичність, надійність, довговічність, енергоспоживання тощо) суттєво залежать від контактних тисків у стику ущільнюючих деталей. Металополімерні ущільнення здатні забезпечити високу герметичність при порівняно невеликих контактних тисках. В інженерній практиці з метою гарантованого запобігання витокам контактні тиски переважно призначаються завищеними, що призводить до передчасної втрати працездатності ущільнюючих пристроїв.

У даний час в машинобудуванні відсутні методи визначення раціональних контактних тисків з урахуванням взаємозв’язку факторів, що впливають на мік-рогеометрію стику ущільнюючих елементів, і ступеня герметичності. Не набули належного розвитку й інженерні методи проектування металополімерних клапанних ущільнень на основі обгрунтованого вибору зусиль герметизації з метою забезпечення високих експлуатаційних показників. Тому теоретичні й експериментальні дослідження, направлені на розв’язання даної науково-технічної задачі, є актуальними.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами та темами. Дисертаційна робота підготовлена згідно з планом науково-дослідних робіт кафедри електорнного машинобудування Державного університету “Львівська політехніка” і безпосередньо пов’язана з науково-дослідними розробками “Дослідження і розроблення роз’ємних з’єднань для рідинних і газоподібних середовищ” (держ. реєстр. № 01820082106), “Розроблення конструкцій роз’ємних з’єднань підвищеної надійності для кріогенних середовищ і вакууму і методики їх проектування на ЕЦОМ” (держ. реєстр. № 01870079499), виконаними на замовлення НВО “Энергия” (м. Москва). Також тема роботи пов’язана з Програмою Кабіне-

ту Міністрів “Україна - 2010” (проект 4 - “Технологічне та технічне оновлення виробництва”).

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає у забезпеченні працездатності деталей металополімерних клапанних ущільнень з одночасним зниженням масоенергетичних характеристик і підвищенням експлуатаційних показників ущільнюючих пристроїв за рахунок обгрунтованого вибору контактних тисків герметизації з урахуванням комплексу функціональних параметрів і конструктивно-технологічних факторів.

Для реалізації поставленої мети розв’язуються такі задачі.

1. Визначення геометричних параметрів міжповерхневої зони герметизуючих елементів металополімерних ущільнень та вивчення впливу контактних деформацій на характеристики каналів провідності в стику.

2. Дослідження впливу контактних тисків на герметичність металополімерних ущільнень з урахуванням контактних деформацій мікронерівностей поверхонь герметизуючих елементів,

3. Визначення ступеня герметичності металополімерних ущільнюючих з’єднань з урахуванням напружено-деформованого стану контактуючих елементів.

4. Обгрунтування принципів раціонального конструювання металополімерних клапанних ущільнень з заданими експлуатаційними показниками.

5. Розроблення методики, засобів ¡проведення експериментальних досліджень зметою оцінки відповідності теоретичних результатів реальному процесу герметизації.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Розроблено математичну модель процесу герметизації металополімерних ущільнюючих з’єднань з урахуванням асиметрії розподілу мікро-профілю контактуючих поверхонь і ймовірності утворення наскрізних каналів у стику.

2. Одержано аналітичні залежності, що дають змогу описувати опорну криву еквівалентної шорсткої поверхні на всій опорній довжині.

3. На основі застосування методу хвильових опорів побудовано математичну модель для дослідження впливу гідродинамічних процесів в магістралі на працездатність клапанного ущільнення.

4. Запропоновано методику оцінки впливу облітерації (зарощування) мікроканалів комбінованого (металополімерного) стику на герметичність ущільнення і розроблено алгоритм експериментального визначення параметрів облітераційного процесу.

5. Розроблено методику та засоби експериментальних досліджень працездатності металополімерних клапанних ущільнень за допомогою контролю капілярних тисків в зоні контакту.

з

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що на основі проведених теоретичних і експериментальній досліджень розроблено практичні рекомендації щодо проектування деталей металополімерних клапанних ущільнень, а також методику розрахунку герметичності ущільнень за заданими умовами експлуатації. Методика і практичні рекомендації використовуються в НВО “Энергия” (м. Москва).

Результати теоретичних і експериментальних досліджень працездатності деталей металополімерних клапанних ущільнень впроваджені у навчальний процес на кафедрі електронного машинобудування Державного університету “Львівська політехніка” і використовуються у викладанні дисципліни “Розрахунок і проектування спецарматури”. Розроблена методика контролю герметичності ущільнюючих з’єднань застосовується в науково-дослідних лабораторіях Київського ЦКБА і НВП “Спецарматура” (м. Львів).

Особистий внесок здобувана. Основні результати роботи отримані автором самостійно. У роботі [1] автором досліджено ймовірність утворення наскрізних каналів в стику металополімерних поверхонь. У роботах [2, 4] ним опрацьовано принципи раціонального конструювання металополімерних клапанних ущільнень. Методику визначення діючого значення зусилля герметизації клапанного з’єднання розроблено автором у роботі [3]. У роботі [5] здо-бувач провів аналіз складових потоку герметизованого середовища через ущільнення. У роботі [6] автором розроблено модель шорсткості з асиметричним розподілом мікропрофілю і визначено геометричні параметри мікроканалів стику. У роботі [7] здобувач дослідив процес капілярної провідності стику. У роботі [8] автором запропоновано конструкцію експериментального обладнання. У роботах [9, 11, 12] здобувачем розроблено модель процесу облітерації комбінованих мікроканалів. У роботі [10] автором запропоновано метод дослідження впливу гідродинамічних процесів на герметичність клапанного ущільнення. Постановка задач, аналіз та трактування результатів проведено спільно з науковими керівниками та, частково, із співавторами публікацій.

Автор висловлює вдячність та засвідчує своє визнання кандидату технічних наук Безпалову Костянтину Івановичу, доктору технічних наук Харченку Євгену Валентиновичу та доктору технічних наук Огару Петру Михайловичу, у яких він отримував наукові консультації під час виконання дисертаційної роботи.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися і обговорювалися на: Науково-технічній конференції “Научные основы автоматизации производственных процессов и управление качеством в машиностроении” (Москва, 1979); Науково-технічній конференції “Состояние и перспективы развития вакуумной арматуры” (Москва, 1979); IV Зональній науково-технічній конференції “Прогрессивные технологические процессы

механообработки и сборки деталей” (Пенза 1984); II Всесоюзній науково-технічній конференції ’’Технологическое управление триботехническими характеристиками узлов машин” (Кишинів, 1985); Науково-технічному семінарі “Совершенствование конструкций трубопроводной пневмогндроарматуры” (Київ, 1987); Зональній науково-технічній конференції “Проектирование и эксплуатация промышленных гидроприводов и систем гидропневмоавтоматики” (Пенза, 1988); Зональній науково-технічній конференції “Пути совершенствования конструкций элементов трубопроводной арматуры” (Пенза, 1988); Науково-технічній конференції “Повышение качества герметизирующих соединений” (Пенза, 1988); Всесоюзній науково технічній нараді з ущільнювальної техніки (Суми, 1988); Республіканській науково-технічній конференції “Повышение эффективности, совершенствование процессов и аппаратов химического производства” (Львів, 1988); Всесоюзній науково-технічній конференції “Повышение качества герметизирующих соединений” (Пенза, 1989); Всесоюзній науково-технічній конференції “Методы и технические средства контроля герметичности технологического оборудования магистральных трубопроводов и массовой продукции” (Севастополь, 1989); Всесоюзній науково-технічній конференції “Проблемы динамики пневмогидравлических и топливных систем летательных аппаратов” (Куйбишев, 1990); Міжнародній науково-практичній конференції “Проблемы и перспективы создания свеклоуборочной техники” (Вінниця, 1996); II Міжнародному симпозіумі «Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій» (Львів, 1996); IV Українсько-польській конференції “САПР в машинобудуванні - проблеми навчання та впровадження” (Львів, 1998); Iй Міжнародній науково-практичній конференції «Проблеми економії енергії» (Львів, 1998); 2- Міжнародній науково-практичній конференції «Проблеми економії енергії» (Львів, 1999).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано ЗО наукових праць, зокрема, 11 статей, 1 винахід захищений авторським свідоцтвом. У фахових виданнях України опубліковано 8 праць.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел і додатку. Основний текст викладено на 164 сторінках і включає 2 таблиці та 53 рисунки. Список літератури налічує 129 найменувань. Загальний обсяг роботи становить 171 сторінку.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність теми і подається загальна характеристика дисертаційної роботи.

У першому розділі проаналізовано сучасний стан проблеми забезпечення працездатності металополімерних клапанних ущільнень. Встановлено, що у галузевій нормативній документації для визначення контактних тисків герме-

тизашї використовуються емпіричні залежності, шо не дають можливості врахувати такі фактори як параметри мікро- і макрогеометрії ущільнюючих поверхонь а також кількісний зв’язок між контактним тиском у зоні ущільнення і витоками герметизованого середовища через нього. За допомогою експериментально-емпіричних методів неможливо оцінити герметичність нових конструкцій металополімерних клапанних ущільнень. Ці методи не враховують: складові потоку через металополімерний затвор; в’язко-пружні властивості полімерного елемента; облітерацію мікроканалів в зоні ущільнення; вплив гідродинамічних процесів в магістралі на герметичність клапанного ущільнення.

Для розробки універсальної методики визначення ступеня герметичності необхідно дослідити і врахувати основні фактори, що впливають на зазначений показник. На рис. 1 показана схема функціонально-структурних зв’язків, які необхідно врахувати для створення математичної моделі і для визначення ступеня герметичності металополімерного клапанного ущільнення. Потовщеними лініями на схемі виділені зв’язки, дослідженню яких в роботі приділено основну увагу.

Із наведеної блок-схеми видно що, у визначені ступеня герметичності металополімерного ущільнюючого з’єднання можна виділити три основні задачі:

- визначення напружено-деформованого стану елементів ущільнення;

- визначення геометричних параметрів мікроканалів в зоні ущільнення;

- визначення контактної і дифузійної складових витоку середовища через стик.

У другому розділі проведено математичне моделювання процесу герметизації металополімерного ущільнення, досліджено вплив контактного тиску в стику клапанного з’єднання на геометричні параметри мікроканалів, через які відбуваються витоки герметизованого середовища.

В залежності від геометричних параметрів каналів і фізичних параметрів середовища перетікання можливе у молекулярному, в’язкісному, проміжному та турбулентному режимах. Визначальним геометричним параметром стику є гідравлічний радіус мікроканалу. Для мікроканалів довільного поперечного перерізу еквівалентний гідравлічний радіус можна знайти за площею Р і периметром П перерізу.

Зниження герметичності ущільнюючих з’єднань може відбуватися не тільки внаслідок масопереносу через стик герметизуючих поверхонь, а й внаслідок проникнення середовища через полімерний ущільнюючий елемент. Ці проникнення пов’язані з адсорбцією газу на поверхні, розчинністю, наступною дифузією через ущільнювач і десорбцією герметизованого середовища.

В роботі запропоновано визначати кількість речовини, що дифундує через стінки мікроканалів в стику металополімерного ущільнюючого з’єднання,

з урахуванням наявності в зоні контакту замкнених порожнин з підвищеним тиском за формулою

£> = £>о-(і-5Л)-

IVРо

і+Ц-

р V

Рі

■і,

де В, а, а - коефіцієнти дифузії, розчинності і пропорційності відповідно, що залежать від властивостей середовища і ущільнюючого матеріалу; А - імовірність наявності наскрізного каналу в зоні контакту; Пя і /- периметр полімерної частини мікроканалу і його довжина; 3,„ - крок нерівностей по середній лінії; /•’о'/' - відносне стискання мікроканалу; р0, Рі - початкове і біжуче значення тиску, відповідно; / - час.

ю

Мехонин контактної течі

11 и

Контактна Стутнь

теча герметичності

Рис. 1. Функціонально-структурні зв’язки моделі металополІмерного ущільнюючого з’єднання.

Оскільки профілограма ущільнюючих поверхонь переважно є асиметричною, в роботі пропонується модель шорсткості, побудована на використанні комбінації нормальних розподілів ординат профілю (рис. 2).

Вирази для середніх арифметичних відхилень ординат профілю Яа] і Яа2 відповідно вище та нижче нульової лінії мають вигляд:

Я

а\

(7? і -‘-б')-/ 4-п чя.Гп 'ї

\1\иц] 1 т у4-’- Іт) .

Я

■аг

'-ат2

•(і0,55-(0,5

-5,

0,5 " 0,5

ае Я!!гп! І Л„,„2 - середнє арифметичне відхилення профілю вище і нижче середньої лінії; Іт - відносна опорна довжина; 5 - асиметрія профілю.

Для опису мікропрофілю поверхні достатньо знати його математичне сподівання і кореляційну функцію К{г). У зв’язку з тим, що розглядається центрований випадковий процес, математичне сподівання дорівнює нулю. Кореляційна функція описується виразом К(т)- Я^ р{т), де р(т) - нормована

кореляційна функція; Яч - середньоквадратичне відхилення профілю, «,-1,25 Ка.

Контакт двох шорстких поверхонь розглядаємо як контакт еквівалентної шорсткої та гладкої поверхонь. При зближенні цих поверхонь до рівня контактної деформації и в стику утворюється множина мікроканалів, що перетинаються, через котрі відбувається перетікання середовища. Площа Р і периметр П перерізу еквівалентних мікроканалів для стику одиничної довжини визначаються залежностями

Я

(в 2«,

п =

-1)+

лІ2тг

(і-0,5а)и+а(1Ф

Ц

Ф \и,

2 + -

+ 0,5

2 +

ст2

(1)

(2)

де Ф(х)- інтеграл імовірностей, ег'2 =КІ (о)- друга похідна кореляційної функції за тривалістю процесу, а = 0,5.. .1 - коефіцієнт пружного осаджування.

Як видно з рис. 2, рівень контактної деформації II визначається за фрму-

лою

и = Лр+і5-А. ф (3)

Ураховуючи, що потік середовища через одиничні мікроканали непря-молінійний і направлений під деяким кутом до градієнта тиску, коефіцієнт звивистості мікроканалу К/ апроксимується виразом

Кі=5 (4) де /е/5г, - відношення поздовжньої складової профілю на рівні контактної деформації и до поперечної складової.

Коефіцієнт звивистості значно впливає на герметичність зони контакту анізотропних поверхонь.

Якщо контактні тиски значні, до числа мікроканалів, утворених в стику, входять замкнені або ізольовані об’єми. Для цього випадку визначаємо імовірність наскрізного мікроканалу, що залежить від співвідношення рівня контактної деформації (/’ і середньоквадратичного відхилення профілю Яд, за формулою

На сумарні значення площі Р і периметра П перерізу мікроканалів істотно впливає хвилястість контактуючих поверхонь. В роботі досліджується вплив хвилястості на параметри мікрозазорів.

Як видно з наведених виразів (1), (2), (4), параметри мікрозазорів, що утворюються в стику металополімерного затвору, залежать від геометричних характеристик мікрорельєфу ущільнюючих поверхонь. В роботі показано, що для вимірювання шорсткості поверхонь еластомерів можна використовувати щупові профілографи-профілометри. Причому, із зростанням модуля еласто-мера, похибка вимірювання зменшується.

Більшість полімерних матеріалів мають в’язко-пружні властивості. В результаті дослідження впливу цих властивостей на працездатність деталей ме-талополімерних клапанних ущільнень одержано вирази, які ураховувують функції релаксації і повзучості для визначення напружено-деформованого стану полімерного ущільнювача методами лінійної теорії пружності.

Контакт двох шорстких поверхонь розглядаємо як контакт еквівалентної шорсткої і гладкої поверхонь. Для опису опорної кривої шорсткої поверхні

А=~4гжі

я.

же

використовуємо бета-функцію, що дає можливість описати опорну криву еквівалентного профілю в межах 0 < єі < 1 (тут єі - рівень відносної деформації

профілю). Застосовуючи стержневу модель шорсткості, знаходимо залежності, що пов’язують зближення ущільнюючих поверхонь і контактні тиски деформації мікронерівностей. Експериментальне дослідження геометричних характеристик стику металевої і полімерної поверхонь ємнісним методом показало їх відповідність стержневій моделі шорсткості. Одержано вирази, що відображають зв’язок рівня контактної деформації І] з безрозмірним контактним тиском. Обгрунтовано залежності геометричних параметрів мікрозазорів в стику металополімерних ущільнювальних поверхонь від контактних тисків

В третьому розділі проведено дослідження впливу конструктивних і експлуатаційних параметрів металополімерних клапанних ущільнень на їх герметичність. Потік середовища через стик ущільнення складається з двох основних компонент: наскрізного потоку через мікроканали і дифузійного потоку через полімерній ущільнювач. До виразів, за допомогою яких визначають потоки герметизованого середовища через ущільнення з урахуванням режиму перетікання, входить комплексний параметр, позначений в роботі П3 і названий параметром об’ємного розкриття стику, який характеризує герметизуючу здатність ущільнення. Значення П3 знаходимо за геометричними параметрами стику,

і за компонентами потоку,

тут / і с/г - геометричні параметри, а Р - проникність полімерного елемента; ?/ -в’язкість середовища. Залежність параметра об’ємного розкриття стику від

визначаємо теоретично за параметрами І7, П і Кь використовуючи вирази (1), (2), (3), (4) і (5), або опосередковано на основі експериментального дослідження герметичності ущільнення.

Аналіз впливу нерівномірності розподілу’ контактних тисків в стику ущільнюючих поверхонь на герметичність з’єднання показав, що зусилля герметизації можна суттєво зменшити за рахунок правильного вибору профілів по-

(5)

е-іїа^£зМ1.,6,,

контактних тисків апроксимується рівнянням Гї3 = кц" . Константи к і п

верхонь.

Процес герметизації рідинних середовищ супроводжується явищем облітерації металевої і полімерної частин мікроканалів, яке рівнозначне додатковому зближенню контактуючих поверхонь на величину

дЛ=Іш^(і_є-Аг)+Іше2.(і_є-Аг),

СОБІ^ С05^2

де (р2 - середні кути нахилу мікропрофілю контактуючих поверхонь. За наявності процесу облітерації рівень V, що визначаються згідно з (3), зменшується на АИ.

Для визначення параметрів облітераційного процесу розроблено методику проведення експеримент)' і програмної обробки експериментальних даних. Згідно з методикою, згадані параметри визначаються для різних матеріалів ущільнювачів і типів робочих рідин.

Облітерація стику відбувається також за рахунок механічних забруднень герметизованих середовищ. Одержано рівняння, що описує процес облітерації стику частинками забруднень, розхід середовища через стик при цьому визначається за виразом

*4 Ар КГР^

п-а ^ІРПІГІІКТІ

У - \ІПОЧ е >

де Кг - концентрація частинок в об’ємі середовища, Кг - /(/?); О -діаметр частинки.

Серед факторів, що впливають на працездатність металополімерного клапанного ущільнення, можна виділити основні: геометричні розміри канавки клапана; геометричні параметри сідла; фізико-механічні властивості матеріалу ущільнювача; кінетична енергія взаємодії клапана з сідлом; частота взаємодії клапана з сідлом; тиск і температура робочого середовища. Експериментальні дослідження показали, що для підвищення ресурсу металополімерного клапанного ущільнення на стадії проектування доцільно вживати такі заходи: зводити до мінімуму енергію взаємодії елементів затвора; застосувати сідла зі збільшеним кутом при вершині.

Однією з головних причин втрати працездатності металополімерного клапанного ущільнення під час експлуатації є зменшення контактних тисків в стику ущільнюючих поверхонь у зв’язку з утворенням лунки на поверхні полімеру. Іншою важливою причиною втрати герметичності є збільшення шорсткості поверхонь деталей в зоні ущільненій. У роботі розглядаються особливості розрахунку клапанного ущільнення на ресурс за умовою забезпечення заданої герметичності.

На працездатність металополімерного ущільнення впливають гідродинамічні явища, що виникають в магістралях при роботі гідросистем в перехідних

режимах. В роботі запропоновано методику теоретичного і експериментального дослідження зазначеного впливу, подано рекомендації щодо забезпечення працездатності металополімерніх клапанних ущільнень.

Працездатність металополімерного клапанного ущільнення залежить від геометричних параметрів ущільнюючих елементів, значеннями яких задаються на стадії конструювання даного вузла. З метою створення раціональної конструкції ущільнення побудовано алгоритм профілювання ущільненюючнх деталей і розглянуто оптимізаційну задачу для отримання конструкції пристрою з високими експлуатаційними показниками.

Під час профілювання елементів сідла конфігурацію його профілю будуємо зі складових правильної геометричної форми (рис, 3). Форму ущільнюючої поверхні задаємо геометричними параметрами а, /?, Ь, г . Конструктивно для клапанних пар з умовним діаметром отвору до Ду 50 можна задатися наступними обмеженнями геометричних параметрів профілю сідла: 90° < а < 150°; 30° < (і < 90° ; 0,2 <г< 0,8; 0 < Ь < 2 .

Рис.З. Узагальнена геометрична модель профілю сідла металополімерного клапанного ущільнення.

Запропоновано математичний вираз, шо в загальному вигляді описує профіль сідла металополімерного клапанного ущільнення,

/(*■)= і'(а1,х,й1)Ф1 + 3(а2,х,Ь2)Ф2 +

+ 5(п3,г,й,)+5(я4,х,й4)Ф4 +3(а5,х,Ь5)ф5 , де 3(и,х,Ь) - функція Хевісайда; Фі...Ф5 - функції,

Якщо а<х<Ь, то 8(а,х,Ь) = 1; якщо х<а<Ь або х>а>Ь, то 5(а, х,Ь)=0.

Якщо заглиблення сідла в клапан знаходиться в межах 0 < кь < Н , то контакт полімерної поверхні клапана з сідлом по ширині відбувається в межах а1 < х < ¿5. Цільову функцію оптимізаційної задачі записуємо у вигляді

де уь у г - вагові коефіцієнти, що вибираються за умови ух +у2 = 1, кожен з яких враховує ступінь важливості параметрів синтезованого клапана; Лі, Л2 - масштабні коефіцієнти; И - заглиблення сідла в клапан; Р - зусилля приводу клапана; ц(х) - функція, що описує епюру контактних тисків по ширині контакту, ця функція визначається шляхом розв’язування контактної задачі напружено-деформованого стану ущільнювача за відомими методиками; .ї

- лінія контакту клапана і сідла.

Оптимізаційна задача вирішується за накладених умов:

1) обмеження погонного перетікання герметизованого середовища,

де к>,< - константа, що характеризує властивість газу; с, т - константи, що визначаються якістю поверхні; Оі - погонне перетікання середовища;

2) обмеження динамічних навантажень в стику, для якого максимальні контактні тиски не повинні перевищувати допустимих.

Розв’язком даної задачі є оптимальний профіль сідла, при якому забезпечується мінімальне зусилля герметизації металополімерної клапанної пари за заданими герметичністю і ресурсом.

-> тіп

о

+ І + ¡соб 0\ • І д(х)сіх

1 + (Ф'4)2

Ефективність методики раціонального конструювання металополімерно-го клапанного ущільнення підтвердилася експериментальними випробовуваннями клапанного вузла, спроектованого за цією методикою.

У четвертому роздій наводяться результати експериментальних досліджень впливу контактних тисків на ступінь герметичності металополімерних ущільнюючих з’єднань.

Із застосуванням оптичного методу одержано залежності площі фактичного контакту поверхонь від відносної деформації полімерного матеріалу. З’ясовано, що навіть в умовах значних деформацій полімерного зразка ( 50% і вище), в зоні контакту залишаються замкнені об’єми, котрі визначаються шорсткістю і коефіцієнтом тертя контактуючих поверхонь.

На спеціально сконструйованій установці, що дає можливість контролювати контактні тиски і визначати витоки герметизованого середовища, проведено дослідження герметичності з’єднань. Одержані експериментальні результати порівнювалися з теоретичними результатами. Розрахунки герметичності проводилися з використанням моделі стику, що запропонована в другому розділі роботи. Параметри мікрогесметрії полімерних зразків, необхідні для розрахунків, визначалися з профілограм. Як показали теоретичні дослідження, на герметичність металополімерних поверхонь найбільше впливають певні параметри мікрогеометрії, зокрема, коефіцієнт заповнення профілю Кр. Зміна величини КР на 10% може викликати зміну герметичності на декілька порядків. Відхилення експериментальних даних від теоретичних в середньому становить 15%.

Для проведення експериментальних досліджень працездатності металополімерних клапанних ущільнень сконструйовано високоточний пристрій контролю герметичності, що дає можливість виявляти витоки рідинних і газових середовищ, як з підклапанних, так і з надклапанних зон.

Для визначення реальних значень зусиль герметизації клапанних ущільнень розроблено і в експериментальних дослідженнях застосовано метод “подвійного навантаження” клапана. Розрахункове значення параметра об’ємного розкриття стику металополімерних поверхонь підтвердилося експериментально шляхом подолання капілярних тисків робочої рідини з зони контакту.

В роботі виявлено умови мінімізації перетікань рідинного герметизованого середовища через клапанне ущільнення. У особливо відповідальних ущільнюючих з’єднаннях для герметизації рідин рекомендується використовувати підпірне газове середовище, протитиск якого забезпечує практично нульові витоки. В ході досліджень з’ясовано, що тиск підпірного газового середовища !>,: доцільно призначати, виходячи з умовирг=рр+рк/2, де рк - капілярний тиск робочої рідини в мікрозазорах стику ущільнюючих елементів; рр - тиск герме-

тизованої робочої рідини.

Збіжність результатів експериментальних і теоретичних досліджень вказує на коректність застосування запропонованої моделі процесу герметизації металополімерних клапанних ущільнень.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ГА ВИСНОВКИ

1. Як показує огляд численних джерел інформації, у нинішній час постала необхідність вдосконалення методів проектування ущільнюючих пристроїв з урахуванням взаємозв’язку їх функціональних і технологічних характеристик. У дисертаційній роботі проведено теоретичні і експериментальні дослідження, спрямовані на забезпечення працездатності деталей металополімерних клапанних ущільнень. Показано, що важливий напрям підвищення експлуатаційних характеристик і зниження масоенергетичних показників таких пристроїв полягає в обгрунтованому виборі контактних тисків герметизації з урахуванням комплексу функціональних параметрів і конструктивно-технологічних факторів.

2. Шляхом математичного моделювання процесу герметизації ущільнень з

асиметричним розподілом мікропрофілів контактуючих поверхонь виявлено, що на ступінь герметичності істотно впливає наявність наскрізних каналів у стику, імовірність утворення яких для відносних зближень 0...0,5 змінюється від 1 до 0. Урахування цієї характеристики суттєво уточнює розрахунок герметичності з’єднання. .

3. Показано, що для визначення контактної деформації полімерного ущільнюючого елемента необхідно враховувати рівняння опорної кривої на повній довжині. Використовуючи бета-функцію для опису опорних кривих контактуючих поверхонь, одержано рівняння для опису еквівалентної опорної кривої, котра за формою є параболою і характеризує мікропрофіль еквівалентної шорсткої поверхні на всій висоті мікронерівностей.

4. Розроблено і теоретично обгрунтовано ємнісний метод експериментального контролю контактної деформації полімерних поверхонь. Це дало змогу дискримінувати стержневу модель шорсткості і одержати зв’язок між силовими і геометричними характеристиками стику.

5. Запропоновано у розрахунках герметичності використовувати параметр об’ємного розкриття металополімерного стику, який комплексно ураховує геометричні властивості міжконтактної зони, що дозволяє підвищити експлуатаційні показники ущільнюючих з’єднань шляхом нормування контактних тисків герметизації.

6. На підставі результатів теоретичних досліджень, показано, що облітерація мікроканалів стику за рахунок зарощування їх квазіпружними шарами ріднни рівнозначна додатковому зближенню контактуючих поверхонь. Одержано ви-

рази, що описують процес зменшення витоків через стик ущільнення за наявності в середовищі частинок забруднення. Розроблено алгоритм і устаткування для автоматизованого визначення параметрів облітераційного процесу.

7. Запропоновано методику раціонального конструювання деталей металопо-лімершіх затворів, використаній якої дозволяє підвищити ефективність герметизації та експлуатаційні показники ущільнюючих пристроїв. В результаті застосування методики для промислового клапанного ущільнення досягнуто зменшення зусилля герметизації у 1,4 рази і збільшення ресурсу в 1,7 рази.

8. Розроблено методику експериментального визначення ефективного значення зусилля герметизації клапанних ущільнюючих з’єднань, яка призначена для використовування в таких конструкціях пристроїв, для яких це зробити розрахунковим шляхом проблематично.

9. Чутливість розробленого пристрою, який дає можливість проводити безкамерний контроль герметичності, як у надклапанній, так і в підклапанній зонах ущільнення досягає для рідинного середовища 1-Ю “12 м3/с, а для газового середовища 1-10 '6 лі3Па/с.

10. Розроблено спосіб мінімізації витоків герметизованого середовиша через ущільнююче з’єднання за допомогою капілярної компресії, а також методику експериментального визначення капілярного тиску герметизованої рідини в стику контактуючих поверхонь. Використання запропонованої методики дає можливість оцінювати усереднений гідравлічний радіус мікроканалів стику.

11. Експериментальні дослідження герметичності металополімерних клапанних ущільнень підтвердили теоретичні висновки та ефективність рекомендацій щодо забезпечення їх працездатності. Розбіжність теоретичних і експериментальних значень контактних тисків герметизації металополімерних клапанних ущільнень не перевищує 20%.

12. За результатами досліджень розроблено методику визначення герметичності металополімерних з’єднань для рідинних і газоподібних середовищ, впровадження якої у виробництво підвищує ресурс металополімерних клапанних ущільнень до 25% за рахунок обґрунтованого вибору зусиль герметизації на стадії проектування.

Основний зміст дисертації відображено в наступних роботах:

1. Шеремета Р. Н. Герметичность стыка металлополимерных уплотнений // Вестник Львовского политехи, ин-та № 190. Технология машиностроения и динамическая прочность машин. - Львов: Вища школа, Изд-во при Львов, ун-те, - 1985. - С. 94-96.

2. Шеремета Р. М. Основи оптимального конструювання металополімерних клапанних пар//Машинознавство. - Львів, 1998. - № 2. - С. 13-16.

3. Шеремета Р. М. Визначення контактного зусилля герметизації в ста-

ку клапанного ущільнення // Вісник Державного університету “Львівська політехніка”. Спеціальний випуск. Проблеми економії енергії. - 1998. - С. 280281.

4. Шеремета P. М. До питання оптимального профілювання металопо-лімерних ущільнюючих елементів. Вісник Державного університету “Львівська політехніка” № 359 // Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль в машинобудуванні і приладобудуванні. - 1999. - С. 67-70.

5. Шеремета Р. М., Білоус Б. Д. Аналіз причин виникнення течі через ущільнювальні елементи // Вісник Державного університету “Львівська політехніка” № 2. Проблеми економії енергії. - 1999 - С. 250-254.

6. Шеремета P. Н., Беспалов К. И., Огар П. М. Моделирование стыка металлополимерных уплотнительных соединений // Вестник Львовского политехнического института № 209. Оптимизация производственных процессов и технический контроль в машиностроении и приборостроении. - 1986. - С. 7-10.

7. Шеремета Р. Н., Тыжай В. С. Минимизация утечки герметизируемой жидкости через уплотнительный элемент // Вестник Львовского политехнического института № 218. Оптимизация производственных процессов и технический контроль в машиностроении и приборостроении. - 1987. - С. 62-63.

8. Шеремета Р. М., Тижай B.C. Підвищення точності контролю герметичності пневмо і гідросистем // Вісник Львівського політехнічного інституту № 246. Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль в машинобудуванні і приладобудуванні. - 1990. - С. 75-76.

9. Шеремета P. Н., Пархоменко Л. А., Федоренко М. Г. Исследование влияния адсорбированных покрытий на герметичность затворов // Проблемы арматуростроения. Труды украинского ЦКБА. /Под ред. В. А. Ананьевского. -Москва. - 1989. - С. 82-85.

10. Шеремета Р. Н., Тыжай В. С. Метод волновых сопротивлений в расчете нестационарного потока жидкости в гидромагистрали // Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конф. “Проблемы динамики пневмогидрав-лических и топливных систем летательных аппаратов”. - Куйбышев. - 1990. -С. 131.

11. Шеремета Р. Н., Стратиневский Г. Г., Федоренко М. Г. Влияние загрязнённости уплотняемой среды и явления облитерации на стабильность утечки // Тезисы докладов научно-технической конференции «Повышение качества герметизирующих соединений». - Пенза. - 1988. - С. 29-30.

12. Шеремета Р. М. Дослідження облітераційного процесу в зоні контакту ущільнюючих елементів // Матеріали IV-ї українсько-польської конференції “САПР в машинобудуванні - проблеми навчання та впровадження”. - Львів. -1998. -С. 115-118.

АНОТАЦІЯ

Шеремета P. М. Забезпечення працездатності деталей металополімерних клапанних ущільнень. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.02 - машинознавство. Державний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2000.

Робота присвячена питанням забезпечення працездатності деталей металополімерних клапанних ущільнень шляхом обґрунтованого вибору контактних тисків герметизації і вдосконалення конструкцій. На основі розробленої математичної моделі мікрогеометрії і процесу контактного деформування ущільнюючих поверхонь запропоновано методику визначення герметичності і ресурсу клапанного з’єднання в залежності від контактного тиску герметизації та параметрів ущільнювача і герметизованого середовища. Проаналізовано вплив облітерації мікроканалів в стику і гідродинамічних явищ в магістралі на працездатність вузла. Розроблено методику раціонального проектування елементів металополімерних клапанних ущільнень. Створено комплекс методик та устаткування для експериментального дослідження працездатності ущільнення.

Ключові слова: металополімерне ущільнення, працездатність, герметичність, контактний тиск, контактна деформація, мікрогеометрія поверхні, ресурс.

SUMMARY

Sheremeta R. М. Security of serviceability of metal-polymeric valve sealed details. - The manuscript.

Candidate of technical sciences thesis in speciality 05.02.02 - mechanical engineering. State university «Lviv polytechnic », Lviv, 2000.

The thesis is devoted to the problems of serviceability security of metalpolymeric valve sealed obtained by means of a justified choice of hermetic sealing contact pressure and improvement of designs. On the basis of the developed mathematical model of microgeometry and the process of sealing surface contact straining the technique of the definition of tightness and resource of the valve pair according to the contact pressure of hermetic sealing and parameters of sealed materials and hermetically sealed medium is offered. The influence of obliteration of microchannels in joint and hydrodynamic phenomena in a turnpike on serviceability of the sealing knot is analyzed. The technique of rational projection of the metal-polymeric valve lock elements is developed. The complex of techniques and equipment for experimental research of serviceability of metal-polymeric seals is created.

Key words:, metal-polymeric seal, serviceability, tightness, contact pressure, contact deformation, microgeometry of surface, resoursces.

АННОТАЦИЯ

Шеремета Р. М. Обеспечение работоспособности деталей металлополимерных клапанных уплотнений. Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.02.02 - машиноведение. Государственный университет “Львовская политехника”, Львов, 2000.

Работа посвящена вопросам обеспечения работоспособности деталей металлополимерных клапанных уплотнений путём обоснованного выбора контактных давлений герметизации и совершенствования конструкций. Поставленная цель достигается разработкой методов расчёта герметичности стыка уплотнительных элементов с учётом комплекса функциональных параметров и конструктивно-технологических факторов.

Работоспособность уплотнительных устройств является важной характеристикой машин и оборудования. Основной критерий работоспособности уплотнительных устройств - их герметичность, - в значительной мере зависит от контактных давлений в стыке уплотнительных элементов. Обоснованный выбор контактных давлений герметизации обеспечивает максимальный ресурс, и минимальные массогабаритные и энергетические характеристики металлополимерного клапанного уплотнения в пределах заданной герметичности.

Диссертация состоит из введения, четырёх разделов, выводов, списка использованной литературы и приложения.

Первый раздел посвящён анализу приведеных в литературе результатов исследований в направлении совершенствования методов расчёта герметичности металлополимерных клапанных уплотнений. Установлены взаимосвязи и взаимовлияния факторов, определяющих герметичность исследуемого уплотнительного узла. Сформулированы задачи исследования.

Во втором разделе проведен анализ причин возникновения утечек, определены составляющие потока герметизируемой среды через стык металлополимерных уплотнительных поверхностей. Исследована возможность снятия профилограмм полимерных поверхностей щуповыми методами и предложены рекомендации по применимости этих методов. Изучено влияние вязкоупругих свойств полимерных материалов на работоспособность исследуемых клапанных уплотнений. Обоснованы аналитические зависимости, позволяющие учитывать функции релаксации и ползучести при определении напряженно-деформированного состояния полимерного уплотнителя методами линейной теории упругости. На базе предложенной модели, описывающей шероховатость уплотнительной поверхности с реальным, асимметричным распределением микропрофиля, разработана математическая модель межповерхностной зоны и процесса контактного деформирования уплотнительных поверхностей деталей металлополимерного затвора. Исследовано влияние формы микрока-

налов образуемых в стыке и макроотклонений уплотнительных поверхностей на процесс герметизации. Исследована вероятность образования сквозных микроканалов в зоне контакта уплотнительных поверхностей и определены диффузионные составляющие потока герметизируемой среды через полимер между замкнутыми полостями стыка. Получены зависимости геометрических параметров микроканалов в стыке металлополимерных уплотнительных поверхностей от контактных давлений. Выводится выражение, описывающее опорную кривую микропрофиля эквивалентной шероховатой поверхности по всей длине.

В третьем разделе рассматриваются влияние параметров конструкции и эксплуатационных факторов на работоспособность металлополимерных клапанных уплотнений. Приведены выражения для определения герметичности металлополимерного клапанного уплотнения в зависимости от распределения контактного давления по ширине стыка уплотнительных поверхностей. Предложен параметр объёмного раскрытия стыка, учитывающий характеристики микрогеометрии межповерхностной зоны уплотнения. Исследовано изменение герметичности при облитерации (заращивании) металлополимерных микроканалов, как квазиупругими слоями жидкости, так и микрочастицами загрязнения герметизируемой среды. Разработан алгоритм экспериментального исследования и определения параметров облитерационного процесса. Исследована зависимость ресурса металлополимерного клапанного уплотнения от конструктивно-эксплуатационных факторов и указаны те из них, которые наиболее влияют на ресурс. Разработана методика теоретического и экспериментального исследований влияния гидродинамических процессов в магистрали на работоспособность металлополимерного клапанного уплотнения. Обоснована методика рационального проектирования уплотнительных элементов металлополимерного клапанного затвора, позволяющая расчётным путём определить оптимальный профиль седла металлополимерного клапанного уплотнения, обладающего заданными эксплуатационными характеристиками. Приведен пример, иллюстрирующий эффективность предложенной методики.

Четвертый раздел посвящён экспериментальным исследованиям влияния контактных давлений на степень герметичности металлополимерных клапанных уплотнений. Для проведения экспериментальных исследований работоспособности уплотнений создан комплекс методик и испытательных лабораторных установок. Сравниваются теоретические и экспериментальные данные, полученные в диссертационной работе, установлено их удовлетворительное соответствие.

Ключевые слова: металлополимерное уплотнение, работоспособность, герметичность, контактное давление, контактная деформация, микрогеометрия поверхности, ресурс.