автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Обеспечение заданного уровня герметичности на этапе проектирования и повышение фреттингостойкости стыка герметизирующих устройств

На правок рукописи

ИЗМЕРОВ МИХАИЛ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЗАДАННОГО УРОВНЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ НА ЭТАПЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПОВЫШЕНИЕ ФРЕТТИНГОСТОЙКОСТИ СТЫКА ГЕРМЕТИЗИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ

Специальность 05.02.04 - Трение и износ в машинах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Брянск - 2006

Работа выполнена на кафедрах "Детали машин" и "Управление качеством продукции и технических систем" ГОУВПО «Брянский государственный технический университет»

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Тихомиров Виктор Петрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Буглаев Анатолий Михайлович

кандидат технических наук Жостнк Юрий Владимирович

Ведущая организация - ОАО НИИ «Изотерм».

Защита состоится 26 сентября 2006 г. в ¿4 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.021.01 при Брянском государственном техническом университете по адресу: 241035, г. Брянск, бульвар им. 50-летия Октября, 7, ауд. 220.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО «Брянский государственный технический университет».

Автореферат разослан 2Т_ еЛ~<? 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертации рассматриваются задачи достижения заданной степени герметичности металл-металлических уплотнений на основе фрактальных представлений о контакте и повышение фреттингостойкости условно неподвижных затянутых стыков поверхностей.

Актуальность темы. Пневмо- и гидравлические системы получили широкое распространение практически во всех отраслях деятельности человека. При этом уплотнительные устройства занимают центральное место при создании простых, надёжных и долговечных систем. Условия работы герметизирующих устройств разнообразны: требуется уплотнять от глубокого вакуума до давлений в сотни МПа, от температуры -200° до +500° С и выше. При работе транспортных машин, технологического и иного оборудования уплотнительные устройства подвергаются воздействию вибрации, и, как следствие, фретгинг-изнашиванию. При этом размеры устройств, определяемые особенностями эксплуатации, охватывают широкий диапазон от миллиметров до нескольких метров. Разнообразие рабочих условий приводит к многообразию способов создания герметичности.

Успешное решение задач проектирования уплотнений и технологического обеспечения надежности этих устройств зависит от достижений теории герметичности (герметологии) и контактного взаимодействия реальных твёрдых тел. Исследования условий герметичности в основном сводятся к определению зависимости между давлением среды и нагрузкой на сопрягаемые поверхности, обеспечивающей для конкретного устройства заданную степень герметичности.

Герметичность соединений определяется, в основном, свойствами сопрягаемых поверхностей, которые в свою очередь характеризуются топографией, физико-механическими особенностями материала и, собственно, конструкцией устройства. Герметичность — это эксплуатационная характеристика уплотни-телыюго устройства, количественным показателем которой является задаваемая техническими условиями утечка (расход) уплотняемой среды в единицу времени (наработки). Превышение этого показателя нормированного уровня приводит к отказу.

Бурно развивающиеся техника и технологии ставят всё более сложные задачи обеспечения заданного уровня герметичности и надёжности уплотни-тельных устройств. Поэтому создание новых, более точных и технологичных методов достижения и оценки герметичности, а также прогнозирования долговечности уплотнительных устройств с применением ЭВМ является актуальной задачей современной науки и техники.

В настоящей работе проведены теоретико-экспериментальные исследования герметичности уплотняемой среды и взаимодействия твёрдых тел с учётом шероховатости и волнистости, а также оценка фреттингостойкости, определяющей ресурс уплотнений, и нормированию показателей герметичности.

Цель работы. Обеспечение заданного уровня герметичности на этапе проектирования и повышения фреттингостойкости металл-металличесхото стыка герметизирующих устройств.

Задачи исследования. В соответствии с поставленной целью необходимо решить ряд следующих взаимосвязанных задач:

1) разработка методики и соответствующего программного обеспечения для определения фрактальной размерности поверхности;

, 2) моделирование протекания рабочей среды через пористую среду как трехмерного объекта;

3) моделирование взаимодействия фрактальных поверхностей и оценка параметров контактного взаимодействия с учетом волнистости и шероховатости;

4) оценка и нормирование герметичности стыка уплотнительных устройств;

5) оценка фреттингостойкости металл — металлических соединений и методы её повышения;

6) выдача рекомендаций по сборке соединений арматуры гидравлического привода с целью достижения требуемого уровня герметичности. Методология и методы исследований. Основой методологии является

последовательное изучение всех факторов, влияющих на герметичность и фреттингостойкость уплотнений: оценка размерности фрактального ЗО-объекта (зазора поверхностей), расчёт параметров контактирования с учётом волнистости, шероховатости и пространственного строения, моделирование протекания в объёмном слое, определение степени герметичности и фреттингостойкости металл-металлических уплотнений. Теоретические исследования базируются на современных представлениях о контактном взаимодействии твердых тел, фильтрационном и молекулярном течении жидких сред, физико-химических процессах, происходящих при фреттинге, а также. на широком применении компьютерного и математического моделирования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) Разработана фрактальная модель контакта поверхностей уплотнительных устройств, а также методика и принципы создания базы данных поверхностей после различных видов обработки.

2) Предложены алгоритмы и методика оценки параметров контактного взаимодействия поверхностей с учетом шероховатости и волнистости, показавшее удовлетворительное соответствие с экспериментом.

3) Разработана перколяционная модель, позволившая оценить параметры течения жидкости в пористом слое и уточнить известную формулу Дарси.

4) Представлена зависимость, определяющая интенсивность изнашивания элементов уплотнения, подверженного вибрационному воздействию, и предложено конструктивно-технологическое решение по повышению фреттингостойкости трубопроводных уплотнительных устройств.

5) Изложены процедуры, принципы и методика нормирования параметров герметичности для уплотнительных соединений трубопроводов транспортных машин.

Практическая ценность работы. Настоящая работа позволяет сократить время на проектирование уплотнительных устройств, повысить точность сборки узлов и механизмов арматуры гидравлического привода и сократить время приемо-сдаточных работ на предприятиях. Результаты данной работы могут

быть использованы на предприятиях в конструкторских бюро при-проектировании новых конструкций уплотнительных механизмов, расчете герметичности при течении жидкости через стык контактирующих поверхностей, при оценке качества поверхностей и процессов контактного взаимодействия твердых тел с учетом волнистости и шероховатости, при оценке и повышении фреттинго-стойкости условно неподвижных затянутых стыков трубопроводов, а также на контрольно-испытательных участках при применении технических условий на сборку, приёмку и испытания гидросистем. Результаты исследований нашли применение при выполнении научно-исследовательской работы 06/34 в 20042005 году. Данные рекомендации по сборке соединений арматуры гидравлического привода позволяют добиться минимального контактного давления, обеспечивающего фильтрационное течение в уплотняемом стыке, а значит и достичь требуемого уровня герметичности.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) Метод оценки фрактальной размерности поверхности после различных видов обработки, используемых в элементах герметизирующих устройств, и создание базы данных, позволяющей решать задачу выбора уплотнительных поверхностей с необходимыми параметрами качества.

2) Методика оценки параметров контактного взаимодействия инженерных поверхностей с учетом шероховатости и волнистости, а также оценка параметров контактного взаимодействия и нормальной контактной жесткости твердых тел и их изменение при повторном нагружении.

3) Вывод модифицированной формулы Дарси и моделирование процесса протекания уплотняемой среды через пористое тело (межконтактный зазор) с учётом шероховатости и волнистости.

4) Методологические принципы проведения физических экспериментов по изучению течения рабочей жидкости через стык поверхностей при разных сочетаниях их параметров качества и давления уштртняемой среды.

5) Метод оценки интенсивности фреттинг-изнашивания и способы повыше ния фреттингостойкости условно неподвижных стыков трубопроводов.

6) Принципы и методика нормирования параметров герметичности для трубопроводных уплотнительных соединений транспортных машин. Достоверность полученных результатов и выводов диссертационной

работы подтверждается экспериментальными данными и сопоставлением с результатами, полученными другими авторами.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и получили положительную оценку:

— на международных научно технических конференциях, проводимых в Москве (2003-2004 г.), Могилёве (2005 г.), Гомеле (2005 г.) и Брянске (2005 г.);

— на научно-технических конференциях, проводимых в Брянском государственном техническом университете (2003, 2004 и 2005 г.г.).

— на расширенном заседании кафедры "Детали машин" и «АТС» Брянского государственного технического университета (2006 г.);

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, общих выводов и рекомендаций и списка использованной литера-, туры. Материалы диссертации содержат 134 страницы основного текста, 26 таблиц, 50 рисунков. Список использованной литературы включает 126 наименований, 19 из которых зарубежных авторов. Общий объём работы 134 страницы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение отражает актуальность темы, изложены ее научная новизна и практическая ценность, а также направление выбранных исследований.

Первая глава посвящена анализу современного подхода к проблеме обеспечения заданной степени герметичности, определяющей работоспособность различных аппаратов, сосудов, трубопроводной аппаратуры и отдельных соединений.

Большинство отечественных и зарубежных исследователей, например, И.В. Крагельский, Д.Н. Решетов, Э.В. Рыжов, Н.Б. Дёмкин, А.Г. Суслов, Т. Цукидзо, Н. Патир и другие, связывают герметичность соединений с видом и характером контактного взаимодействия. На необходимость учёта макроотклонений поверхностей стыка при расчёте контактной жесткости и герметичности указывается в работах В.А.Белого, А.Г.Суслова, П.Е.Дьяченко, Б.П.Железнова, А.Т.Жирнова и др. М.В.Раздолин, В.М.Алексеев, А.А.Туник, АЛ.Рудзит, считают, что герметичность соединения обеспечивается вследствие образования сплошной полосы контакта, возникающей при пластической деформации материала уплотнения. На необходимость учёта физических свойств уплотняемой среды при расчёте величины утечки указывается в работах J1.A. Кондакова, A.A. Волошина, Х.Х. Мухаметшина. Существует много работ, например, Р. Коллинза, П.А. Белокурова, В.П. Тихомирова, В.В. Порошина, посвященных моделированию процесса герметизации в уплотнительных соединениях.

Проведенный анализ показывает, что единой научно-обоснованной методики для определения герметичности соединений нет. Кроме отсутствия единой модели герметизации в уплотнительных соединениях в настоящее время нет единого подхода при рассмотрении режимов течения рабочей среды между сопряженными поверхностями. Так, в работе В.Д. Продана, Р. Коллинза течение рассматривается как молекулярное, в работах Г.Я. Лейва, A.B. Лыкова, Б.В. Скворцова - как ламинарное или турбулентное для бесконтактных уплотнений в быстроходных машинах. Иногда течение рассматривают как струю из отверстий, образованных узкими щелями, например, у В.Ф. Солдатова. Переход от одного потока к другому определяется размерами отверстия или щели.

Для характеристики контакта поверхностей предлагается использовать понятие фрактальной размерности, которая с большой точностью описывает многие физические явления и образования реального мира: облака, горы, турбулентные течения, береговые линии, что далеко не соответствует простым геометрическим фигурам. Фрактальная размерность, являясь информативным параметром, достаточно полно описывает сложную геометрию поверхности деталей машин и механизмов. Наряду с существующими параметрами и показа-

телями качества поверхности деталей, фрактальная размерность является мощным средством при описании геометрии поверхностей с учётом их трёхмерной (пространственной) структуры, а также может широко использоваться при проектировании и создании трёхмерных моделей поверхности, имитационном моделировании течения рабочих сред в пористом слое, контактных задачах и при решении многих других технических проблем.

В настоящее время существуют в основном два направления в решении проблемы по обеспечению заданной степени герметичности. Первое направление характеризуется дифференцированным изучением влияния отдельных факторов, условий и параметров на герметичность соединений, причём часть из них иногда не учитывается вообще. Данное направление не ставит своей целью нормирование точности параметров с учётом их конструкторско-технологической взаимосвязи, поэтому имеет узкую направленность. Второе направление связано с изучением физической сущности процесса герметизации, с установлением научно-обоснованных норм герметичности. Это приведёт к нормированию показателей обеспечения заданного уровня герметичности в конструкторской и технологической документации. Данное направление перспективно, так как позволит решить задачу управления процессом герметизации на основе учёта взаимосвязи отдельных факторов, условий и параметров при изготовлении, сборке, повторной сборке (ремонте).

На основе анализа работ отечественных и зарубежных учёных определены цель и задачи исследования.

Во второй главе рассматриваются методы восстановления профиля поверхности после профилографирования, методы определения фрактальной размерности профиля, самой поверхности и профиля зазора сопряжённых поверхностей, а также алгоритм построения фрактальных поверхностей и методика формирования базы данных поверхностей.

Исходной информацией о поверхности служит трёхмерная карта поверхности, полученная в результате трехмерного профилографирования на аппаратно-программном комплексе, разработанном в Московском государственном индустриальном университете под руководством проф. В.В. Порошина. Он представляет собой шуповой двухкоординатный профилометр модели 170622 завода "Калибр", который обеспечивает измерение Е-координаты с шагом в 5 мкм. Наличие радиуса кривизны вершины щупа изначально накладывает некоторые погрешности на точность сканирования.

При воспроизведении истинного профиля поверхности необходимо учитывать наклон профиля в точке сканирования и корректировать ординату точки. Согласно рис. 1, погрешность сканирования можно определить как

Наклон профиля —вычисляется по формулам конечно - разностного

<1х

приближения, например, как —

'¡-г

60-Ах

Тогда истинное значение ординаты профиля будет Zi = Z(' - J,-.

Таким образом, используя предложенный алгоритм, можно увеличить точность сканирования поверхности путём корректировки полученной информации и исключить погрешности на этапе анализа данных.

Для определения фрактальной размерности профиля используются различные анали-Рнс. 1. К оценке истинной ордннаты тические и расчётные методы оценки. Согласно Хёрсту (H.Hurst и др., 1965), среднее выборочное значение высот профиля (параметра X) на исследуемой длине L можно

найти как X(L)= Накопившееся отклонение высот профиля X(t) от

среднего значения будет равно Тогда выражение для

размаха имеет вид R(L) = max X(l,L) - min X(l,L). Как показано Хёрстом, для многих рядов нормированный размах хорошо описывается степенной зависи-R (L\H

мостью — = I — I , где Н- показатель (или коразмерность) Хёрста, связанный с

фрактальной размерностью отношением D-2-H.

Альтернативными методами определения фрактальной размерности самоподобного профиля поверхности являются метод отрезков и метод покрытий. Смысл заключается в определении предела

в=итШгй

где п — число отрезков длинной г, укладывающихся на реализации профиля. По углу наклона зависимости /og(n(r)) от /og^-j можно судить о фрактальной размерности профиля поверхности как D — 1 — 2*К,

Для определения фрактальной размерности поверхности был разработан так называемый метод покрытия «рваной сеткой». Согласно этому методу участок поверхности шириной -Js и длинной L покрывался неразрывной лентой, состоящей из ячеек площадью с. Независимо от первой ленты рядом строится другая лента, и так продолжается до покрытия всей поверхности. Тогда пло-

2-D.

щадь поверхности S = S0-в 2 , где: S — истинная площадь поверхности, So — номинальная площадь, Ds - фрактальная размерность поверхности.

Уменьшая площадь ячейки покрытия и произведя преобразования (рис.2),

1г{%) 1п%

можно показать, что Ds =2-2- —--——. Если существует предел lim—-—

Ins Ins

равный наклону К, то фрактальная размерность Ds — 2—2*К, 2 < Ds< 3.

Для оценки фрактальной размерности зазора двух шероховатых поверхностей необходимо совместить их по линии выступов, когда минимальный зазор равен нулю, а наибольший зазор соответствует сумме максимальных высот неровностей. Измеряя величину зазора через дискретные равные промежутки и, откладывая найденные значения от оси абсцисс, получим ломаную линию. Эта линия отражает величину зазора между шероховатыми Рис. 2. Покрытие ячейками поверхностями. Фрактальная размерность этой линии может быть определена методом Хёрста. Для построения фрактальных поверхностей использовался алгоритм последовательного случайного сложения Р.Ф. Фосса, модифицированный применительно к ЭВМ для моделирования поверхностей с большим масштабом. В результате можно получить фрактальные поверхности, очень близко напоминающие реальные поверхности деталей (рис. 3).

Рис. 3. Модели поверхности с фрактальной размерностью соответственно D=2,2 и D-2,6.

Формирование базы данных поверхностей также является немаловажной задачей при проектировании и разработке машин и механизмов. Автоматизированный сбор, хранение и индексирование информации ускоряет процесс подбора материалов, качества обработки поверхностей, технологические методы производства и т.п. Это позволит без дополнительных исследований и затрат времени выбрать наиболее подходящие параметры поверхностей, максимально удовлетворяющие заданным условиям эксплуатации. В настоящей работе представлены принципы создания базы данных поверхностей и её рабочая модель в системе Microsoft SQL Serwer 2000, позволяющая выполнять все вышеперечисленные задачи.

В третьей главе представлена методика формирования нейросети и проведения нейрокомпьютерного моделирования, а также методы оценки параметров контактного взаимодействия поверхностей при наличии шероховатости и волнистости и контактное взаимодействие при повторном нагружении.

Для формирования нейросети необходимо, чтобы выборка была бы репрезентативной и примеры не противоречивы. В связи с тем," что значения рассматриваемых факторов имеют разные масштабы, то входные данные (факторы) должны быть нормированы. Обучаемая нейросеть использует, как правило, 80 % данных, остальные 20 % предназначены для тестирования сети. Нейросеть позволяет провести планирование факторного эксперимента, не прибегая к фи-

■ зическому эксперименту. Более того, нейрокомпьютерное моделирование может оказаться единственной процедурой, дающей возможность выявить регрессионную модель.

При оценке параметров контактного взаимодействия определялись приведённые значения параметров для каждой поверхности как Ля„,=

(гпоги) ™*=(гл>фГ V/пощ) 1/2,

г-1,.,.,20. Оценка сближения производилась для случая контакта гладкой и эквивалентной поверхностей, параметры которой оценивались как ЯаЕу=тах[Яау],

Ну1/щ=тах[Ну1>у}, гЕ=[ГуГ'У(гу+г'у)], ]=\.....5. Здесь

штрихом обозначены параметры контртела. Физическое состояние поверхностного слоя характеризовалось эффективным модулем:

Здесь Е — модуль упругости материала образца, е — относительное сближение, параметр, учитывающий наличие волнистости, О — фрактальная размерность профиля эквивалентной поверхности. Оценка £> в данной работе производилась при решении обратной задачи: нахождение фрактальной размерности по экспериментальным данным. Совместное решение задачи Г.Герца и контактной задачи штампа с упругим полупространством с учётом деформации волны дало возможность определить деформацию волны с учетом осадки:

3773ЕС

Здесь Г0 — нагрузка, Ктах — максимальная высота неровностей, ц — коэффициент Пуассона. Анализ полученных данных показывает достаточно высокое значение коэффициента корреляции между экспериментом и расчетом. С вероятностью р=0,67 оценка фрактальной размерности может быть произведена по формуле 0=1,640- 0,034Е.аЕ, а зависимость Ее1/Е от относительного сближения € может быть описана следующим уравнением, полученным с помощью метода наименьших квадратов: Е^/Е — 0,772 + 0,239е.

При повторном нагружении плоского стыка, если нагрузка не превосходит величины предыдущего нагружения, контактное взаимодействие происходит в условиях упругих деформаций. Для оценки сближения поверхностей при повторном нагружении с учетом шероховатости и волнистости использовались выше приведённые зависимости при следующих допущениях: 1) фрактальная размерность соответствовала исходному состоянию поверхности, являясь инвариантной; 2) радиус закругления вершин волн при повторном нагружении не изменялся; 3) максимальная высота волн и высота сглаживания неровностей шероховатости определялась по формулам: 1Утях = (У^ ~о(ртах)+ ра/Уп и

Яр--Лр-"(ртах )+ Ра!}п' где-/» ~ контактная жесткость.

•у | ]4_)

Сближение оценивалось по уравнению а_ 1Ртяхц1-о '

Проведенная проверка в исследуемых диапазонах изменения факторов, характеризующих качество поверхностного слоя, показала, что приведенное уравнение адекватно (по критерию Фишера) отражает контактное взаимодействие поверхностей при наличии шероховатости и волнйегости.

Оценка контурной площади контакта проводилась в соответствии с выражением для максимальной площадки:

р(2 + а)~Г -я)]

волнистости. Число контурных площадок можно найти как л„ = тгг~> г"Де Аа

№

где а„, — деформация поверхностного слоя при наличии шероховатости и

Аа

номинальная площадь, — квадрат шага по средней линии. Определить набор контурных площадок Асг можно, применив имитационное моделирование, с

помощью которого будем задавать значение функции Р случайными величина-

£

ми, распределёнными на интервале [0,1]: II = у -» Лйу[о,1]. Таким обра-

\ ста* )

зом, можно найти вектор контурных площадок как АСТ = {Ас1, Лс2, ... Аспс}. Нагрузку на каждое контурное пятно можно найти из выражения

, \ [*<ГУ-3)-2]

р =_х-Ер-у-Ю-РсХ J

4-(1~2•//)•(!'

Здесь Рс1- 4 (А„ / ж) - радиус приведённой круглой контурной площадки контакта, по площади равной АС1. Деформацию отдельной волны поверхности можно найти как 3С1- = рс? / (2*г„). Таким образом, представляется возможным определить параметры контакта с помощью имитационного моделирования.

Оценку фактического контакта можно произвести, используя распредели Р-

ление пятен фактического контакта: "(5') = — 2 . Критическое значение

площадки фактического контакта .!>„ при котором происходит переход от упругого состояния к пластическому, можно выразить так:

I

10,7 (УоуУ^

где О — характерный масштаб длины, коэффициент с = 3. Из условия равновесия усилия на контурном пятне контакта и сумме усилий упругих и пластических деформаций на фактических пятнах контакта можно записать

А Птг ТГ Г" О-1 рс1 = --| + с..

& о

Тогда суммарная фактическая площадь контакта на /-той контурной площадке определяется как Аг1 = , а сближение за счёт деформации мик-

ронеровностей равно а1Ш " . Таким образом, представляется возможньш

яг-г

оценить параметры фактического контакта на пятне контурной площадки.

В четвертой главе представлена перколяционная модель течения в пористом слое, модель протекания рабочей среды через зазор между шероховатыми поверхностями, показан вывод модифицированной формулы Дарси с применением теории подобия, а также методика проведения испытаний на установке по исследованию контактной жёсткости поверхностей, подготовленной для проведения испытаний на герметичность и результаты исследований.

Для моделирования течения в пористом слое была разработана программа, моделирующая пористую среду виде куба с вероятностью заполнения ячеек решётки р. Эксперимент по прогеканию жидкости через куб в горизонтальном направлении позволяет определить значение минимальных длин возможных каналов утечки, а значит, и коэффициент извилистости. Отличительной особенностью данной программы является возможность расчёта минимальной ширины (порога) площадки, при которой жидкость не проходит в направлении утечек, т.е. наступает полная герметичность.

Расчёт сближения, при котором прекращаются утечки с учётом деформации микронеровностей, представлено на рис. 4. На карте течения жидкости (внизу слева) чёрным цветом показаны площадки контакта, белым — поры, куда жидкость не смогла проникнуть, протекая в направлении сверху вниз. Серым цветом показана жидкость. Рядом, на карте деформаций (рис. 4), вокруг пятен контакта (чёрный цвет) показаны пояски деформации, куда выдавливается пластически деформированный материал.

Таким образом, компьютерное моделирование течения жидкости через стык поверхностей позволяет найти величину сближения и фактическую площадь контакта, при которой наступает полная герметичность. Моделирование контактного взаимодействия твердых тел с учетом шероховатости и волнистости, в свою очередь, позволяет найти усилие в стыке, обеспечивающее заданную площадь контакта, а значит и обеспечивающее заданный уровень утечки.

В основе подхода к оценке герметичности соединения применим тс— теорему Букингема, позволяющую найти основные факторы, оказывающие влияние на герметичность и определить критерии подобия. Это позволило найти расход вязкой жидкости сквозь зазор между шероховатыми поверхностями:

Рис. 4. Определение критического сближения

Заметим, что при /{Н2/Ф)~к приведённое уравнение становится известным эмпирическим выражением - формулой Дарси.

Проницаемость без учета коэффициентов, характеризующих форму и из-

Л и-т3 Т1

вилистость каналов, определяется выражением Ф = ^ , где и — постоянная

Кармана (С/=0.20...0,22), /я - пористость, 2Г- удельная смачиваемость. Используя фрактальные представления, пористость может быть определена из соотношения: т = ^у^ , где 1д — средний размер пор, / — характерная длина в направлении течения, £> — фрактальная размерность профиля зазора.

Оценку удельной смачиваемости произведем, используя соотношение

Здесь N — число пор, Л/, Л2 — внутренний и наружный диаметры фланцевого соединения, Н — толщина пористого слоя, которая может быть определена как Н=Ь+Лу1+Яу2. Число пор найдем из выражения, характеризующего распределение фрактальных объектов на плоскости:

Функция *(НА2/Ф)

у« ел »7/"" 0.9036

N =

*п

гр

Идентификационная функция ЛН7/Ф) по предварительным расчётам

/яП (нг У _ 3

имеет вид Л —• = а • I—г-I . Для её

Рис. 5. Функция/(Ь?/Ф) и уравнение регрессии.

определения использовались экспериментальные данные и данные, полученные расчётным методом по предварительной формуле Дарси. Нахождение функции представлено на графике (рис. 5). Конечный вариант формулы выглядит так:

Полученная зависимость позволяет более точно определять величину утечек через стык герметизируемых уплотнений с точки зрения фрактальных представлений об объектах.

Для проверки вышепредставленных формул и зависимостей была разработана методика проведения испытаний на установке по исследованию контактной жёсткости поверхностей, подготовленной для проведения испытаний на герметичность. В данном случае были применены лабораторные методы исследований, позволившие получить данные о герметичности уплотнения. Установка состоит из нагружающего двигателя с электронным регулированием частоты вращения вала, редуктора, самой установки, персонального компьютера и

устройства создания давления рабочей жидкости в виде стенда для тарирования манометров. Сближение образцов измерялось нутромером германского производства с точностью 0,1 мкм (рис. 6), а в качестве рабочей жидкости использовался керосин, т.к. он обладает максимальной проникающей способностью из известных легкодоступных жидкостей.

Образец был изготовлен из стали Ст 3 с твёрдостью 222 НВ, а контртело из закалённой стали 45 с твёрдостью 36 НК.С. Размеры уплот-нительного устройства: наружный диаметр фланца равен (¡2=2Яг=29 мм, внутренний диаметр — с1/~2Я,=21 мм. Испытания были прове-Рис. 6. Испытания на герметичность дены при давлении 0,5 и 2 МПа. на соответственно, шероховатых и гладких образцах, параметры которых представлены в таблице 1.

Таблица 1. Параметры шероховатости образцов.

Образец Тип обработки Параметры шероховатости

Па Rz Кр Ят Кпшх ВУ

Контроб|):1'лец притирка 0,12 0,4 0,25 72 0,8 20000

Образец гладкий шлифование 0,34 0,5 0,98 16 2,2 10000

Образец шерохов. точение 2,2 0,7 4,1 164 9,4 1000

Сравнение данных, полученных экспериментальным путём, с расчётом по модифицированной формуле Дарси представлено на рис. 7.

1.4

0 1Л

1

о о.в

9

и.в

> 0.4

0.2

0

Рис. 7. Сравнение эксперимента и расчёта для гладких и шероховатых образцов.

Сравнение полученных данных на образцах с разной шероховатостью и при разных давлениях, а также с известными результатами, полученными другими исследователями, и расчетом по модифицированной формуле Дарси, показало небольшое расхождение (не более 45 % при разгерметизации). Таким образом, полученное с помощью методов теории подобия выражение позволяет расчетным путем определить величину утечек через стык шероховатых поверхностей с достаточной степенью точности.

В пятой главе представлена методика оценки коэффициента трения и определения параметров сдвиговой прочности молекулярных связей, а также оценена фретгингостойкость стыка герметизирующих устройств и предложена усовершенствованная конструкция стандартного трубопроводного уплотни-тельного устройства, позволяющая повысить фретгингостойкость за счет снижения амплитуды смещений элементов герметизирующего устройства.

При пластическом контакте и при отсутствии частиц износа можно записать для неподвижного стыка герметизирующего устройства

Здесь то — удельное сопротивление сдвигу при рг~ 0, — пьезокоэффици-ент упрочнения фрикционных связей. В соответствии с молекулярно-механической теорией трения, величина Го характеризует сдвиговое сопротивление при давлении р=0, определяя тем самым молекулярное взаимодействие пятен контакта сопряженных поверхностей с учетом наличия промежуточной среды, или ее отсутствия.

Процедура экспериментального определения То и /? состоит в следующем. С помощью одношарикового трибометра, выполненного по схеме, предложенной И.В. Крагельским и Н.М. Михиным, находят сдвиговое сопротивление Гу и

т2 при разных давлениях р/ и р2 по формуле г = . , где Т— вращающий мо-

4ж-а

мент; а — радиус круговой площадки. Продолжив прямую, проходящую через точки Г/ и г>, на графике в координатах т(р) до пересечения с осью ординат, определяют величину То- Тангенс угла наклона полученной прямой к оси абсцисс численно равен коэффициенту упрочнения фрикционных связей Д В результате экспериментальных исследований были установлены фрикционные характеристики (для стали 45) то = 200 МПа, р = 0,044, что согласуется с известными в литературе данными.

В качестве объекта исследования было выбрано распространенное трубопроводное соединение с контактными поверхностями конус — сфера (рис. 8).

Рис. 8. Объект исследования.

Уплотнительное соединение с шаровым ниппелем при работе транспортных машин подвергается воздействию вибрации. Начальный поясок герметичности вследствие микроперемещений и фретгинг-процесса уменьшается и утечка увеличивается. Влияние вибраций на трибологические характеристики мало исследовано, особенно для пластического контакта.

Начальный этап фреттинг-коррозии связан с окислением и разрушением оксидных пленок. Интенсивность изнашивания в этом случае может быть определена, используя модель, предложенную Ш. Ву и Г. Чженом. Применительно. к фреттинг^-процессу, протекающему в условно неподвижных уплотнениях, предложим следующее выражение для оценки интенсивности изнашивания:

Аг

h=K

Аа

Здесь kw — коэффициент износа, Еа — энергия активации процесса окисления, R — газовая постоянная, Г— термодинамическая температура контакта, Аг — фактическая площадь контакта, Аа — номинальная площадь касания. Для расчетной оценки интенсивности изнашивания используем следующие литературные данные: к^ = 5-Ю"4, Еа — 50 кДж/моль (при диапазоне изменения для стали 40Х энергии активации от 41 до 120 кДж/моль), R = 8,31 Дж/(моль К).

Отношение фактической площади к номинальной в условиях насыщенного пластического контакта равно

Ar =

Аа с'стт 2ЬИ

Здесь w„ = FJ(2nR) — удельная нагрузка, F„ — нормальное усилие, R — радиус, с'— коэффициент, равный с учетом наклепа с' = 1.3-3=3.9, <тг— предел текучести, Ьц — полуширина герцевской площадки. Используя уравнение Герца для случая контакта цилиндр — плоскость можно получить

Формула для оценки интенсивности изнашивания будет:

л =

27,6 -к.

R-aT

12л--cos(«)

Так как линейный износ оценивается зависимостью к = = 1ЬАЫС < [й], то число циклов нагружения до достижения предельного износа [И\ равно

М

N ■=■

Здесь А — амплитуда относительного смещения тел при вибрационном воздействии, Ь - путь трения.

Приведенные формулы показывают, что для увеличения срока службы необходимо снизить амплитуду смещений элементов стыка. На рис. 9 представлено предлагаемое конструктивное решение уплотнительного устройства.

покрытие

ш

Рис. 9. Модернизированная конструкция уплотнительного соединения

Модификация уплотнительного устройства заключается в следующем: центрирующая поверхность накидной гайки в осевом направлении увеличена и покрыта тонким слоем латуни для уменьшения амплитуды колебаний ниппеля, вызванных работой транспортных машин. Процесс латунирования происходит на основе известного эффекта избирательного переноса. В этом случае система представляется в виде колебательной системы с несколькими элементами разной жёсткости, и возникающие вибрации могут быть поглощены разделяющим слоем покрытий. В отдельных случаях полностью погасить колебания не представляется возможным, но их амплитуду можно уменьшить в несколько раз.

Таким образом, предложен эффективный способ борьбы с фреттинг - износом - нанесение покрытий пластичных металлов с целью гашения амплитуды колебаний в контакте.

В шестой главе представлен расчёт норм герметичности элементов гидропривода, а также даны рекомендации по сборке соединений арматуры и рассчитана технико-экономическая эффективность использования полученных результатов.

Норма герметичности представляет собой допустимый объём рабочей среды, вытекающей за определённый промежуток времени из герметизируемого узла, находящегося под заданным давлением. Исходя из требований безопасности при эксплуатации, для каждого случая установлены предельно допустимые величины падения давления ДР в гидроприводе при включенных и не включенных органах управления.

Расчёт норм герметичности проводится по такой схеме: 1) Определяется

полный объём гидропривода. 2) Определяется суммарная допустимая утечка:

^ К-АР з О г =-, мм .

I

3) Определяется количество мест соединений трубопроводов и арматуры п, для данной машины. 4) Определяется масштабный коэффициент учитывающий увеличение или уменьшение утечки жидкости при изменении диаметра уплотнения соединения. 5) Производится суммирование всех полученных Км: (Км ¡-«¡) = /Г„г«1 + Кнг-пг + ... +Км-п,.

6) Определяется величина приведенной допустимой утечки:

= ~—-->

1-1

7) Определяется норма герметичности для каждого типоразмера соединений:

а ~ ' бпр

Представленная схема позволяет рассчитать допустимые нормы герметичности соединений гидравлического привода при включённых и не включённых органах управления, которые потом могут использоваться при проектировании уплотнительных устройств и механизмов.

При сборке соединений потребный момент затяжки определяется так:

М, = л- (л,2 - Я,2)• ■ • Л- + /.¡р■ Яг + ^

Здесь М2 - потребный момент затяжки; Ru R2 - наружный и внутренний радиус уплотнения; да - номинальное давление; /гр - коэффициент трения в

2-(r3 - R3)

уплотняемом стыке и в резьбе соединения; R„ = —i—i-и - приведенный ра-

3 • ^ — J *

диус трения; Р - шаг резьбы.

Исходя из условий обеспечения герметичности, точности и качества выполнения отдельных элементов уплотнения и результатов проведенных исследований, определены моменты затяжки соединений арматуры гидропривода.

Использование регламентированных моментов затяжки соединений, технически обоснованных путей ликвидации утечек сокращают время приёмосдаточных работ. Новые мероприятия не влекут за собой изменений капитальных вложений, затрат на материалы, энергию, расходы на содержание и эксплуатацию оборудования, специального инструмента и покупных изделий. Эффективность внедрения технических условий на сборку, приёмку и испытания гидравлических машин, трубопроводов и механизмов, для среднего предприятия составило за год Эр = 375 125 руб.

Таким образом, предложенные схемы и рекомендации можно считать экономически выгодными и рекомендовать их к внедрению на предприятиях.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Определена фрактальная размерность инженерных поверхностей, используемых в неподвижных герметизирующих устройствах. На основе современных компьютерных технологий создана база данных, позволяющая решать задачу выбора уплотнительных поверхностей с необходимыми параметрами качества.

2. Установлено, что протекание рабочей среды между контактирующими поверхностями происходит по каналам, размеры которых определяются топографией сопряжённых поверхностей и усилием прижатия.

3. Разработана методика оценки параметров контактного взаимодействия инженерных поверхностей с учетом шероховатости и волнистости. Сравнение результатов, полученных расчетным путем с экспериментальными данными, показало их удовлетворительное соответствие.

4. Разработана перколяционная модель процесса протекания уплотняемой среды через пористое тело (межконтактный зазор). Оценены параметры, характеризующие темп утечек, извилистость каналов, их число и пористость уплотняемого стыка.

5. На основе теории подобия были выявлены критерии подобия. Проведены экспериментальные исследования неподвижных металл-металлических стыков, позволившие оценить величину утечек через стык при разных сочетаниях параметров рабочих поверхностей и давлениях уплотняемой среды. Результаты экспериментальных исследований находятся в удовлетворительном соответствии с результатами расчетов по предложенной модифицированной формуле Дарси.

6. Произведена теоретическая и экспериментальная оценка коэффициента трения и получена зависимость, определяющая интенсивность изнашивания элементов уплотнительного соединения, подверженного вибрационному воздействию.

7. Установлено, что применение мягких покрытий снижает амплитуду колебаний в контакте уплотнительных устройств транспортных машин, что приводит к повышению фреттингостойкости стыка.

8. Разработаны принципы и методика нормирования параметров герметичности для трубопроводных уплотнительных соединений транспортных машин.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Тихомиров, В.П. Модель протекания через зазор между шероховатыми поверхностями / В.П. Тихомиров, O.A. Горленко, В.В. Порошин, М.А. Измеров / «Сборка в машиностроении, приборостроении» - М., Машиностроение, 2004г. - №4 (45) - С. 28-30.

2. Измеров, М.А. Фрактальная модель герметичности / М.А. Измеров, В.П. Тихомиров. — XVI международная Интернет-конференция молодых учёных и студентов по проблемам машиноведения (МИК.\1УС - 2004). Тезисы докладов. - Москва: институт машиноведения им. A.A. Благонравова РАН, 2004.-С. 41.

3. Измеров, М.А. Контактная жёсткость стыков при наличии смазочного материала / Молодёжная научно-техническая конференция вузов приграничных регионов славянских государств, 28-29 окт. 2003 г., г. Брянск: материалы конф. / Под ред. O.A. Горленко. — Брянск: БГТУ, 2004. — 188 с.

4. Тихомиров, В.П. Моделирование геометрии инженерных поверхностей / В.П. Тихомиров, М.А. Измеров / Международная научно-техническая конференция «Полимерные композиты и трибология» (Поликомтриб-2005), 18-21 июля 2005 г. - Гомель: ИММС HAH Б, 2005. - С. 32-33.

5. Горленко, O.A. Некоторые задачи герметологии / О.А.Горленко, В.П. Тихомиров, М.А. Измеров. / Контактная жёсткость. Износостойкость. Технологическое обеспечение. - Сб. тр. междунар. науч.-техн. конф. в г. Брянске, 22-24 октября 2003 г. / Под общ. ред. А.Г. Суслова. - Брянск: БГТУ, 2003.-С. 21-23.

6. Тихомиров, В.П. Обеспечение заданного уровня герметичности на стадии проектирования / В.П. Тихомиров, М.А. Измеров / Материалы 5-й межд. науч.-техн. конф., г. Брянск, 19-21 октября 2005 г. / Под общ. ред. А.Г.Суслова. -Брянск: БГТУ, 2005. - С.9-11.

7. Измеров, М.А. Фрактальная размерность инженерных поверхностей I М.А. Измеров, В.П. Тихомиров. - Тезисы докладов 57-й студенческой научной конференции / Под ред. И.В. Говорова. - Брянск: БГТУ, 2002. — С. 48-49.

8. Измеров, М.А. Фрактальная размерность профиля зазо>а при сопряжении двух шероховатых поверхностей / М.А. Измеров, В.П. Тихомиров. - Тезисы докладов 57-й научно-технической конференции / Под, ред. О.А. Гор-ленко, Д.Н. Финатова. - Брянск: БГТУ, 2002. - С. 26-29. .

9. Измеров, М.А. Обеспечение герметичности соединений / М.А. Измеров, В.П. Тихомиров. - Тезисы докладов 58-й студенческой научной конференции / Под ред. И.В. Говорова. - Брянск: БГТУ, 2003. - С. 38-39.

ИЗМЕРОВ МИХАИЛ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЗАДАННОГО УРОВНЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ НА ЭТАПЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПОВЫШЕНИЕ ФРЕТТИНГОСТОЙКОСТИ СТЫКА ГЕРМЕТИЗИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ

05.02.04 - Трение и износ в машинах

Подписано в печать 21.07.2006г. Формат 60x34 1/16. Бумага офсетная. Офсетная печать. Усл. изд. л. 1,33. Тираж 100 экз. Заказ 413. Бесплатно.

Издательство Брянского государственного технического университета 241035,г. Брянск, БГТУ, бульвар 50-летия Октября, 7. Телефон 55-90-49. Лаборатория оперативной полиграфии БГТУ, ул. Институтская, 16.

СОДЕРЖАНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМА ГЕРМЕТИЧНОСТИ СОЕДИНЕНИЙ И СУЩЕСТВУЮЩИЕ СПОСОБЫ ЕЕ РЕШЕНИЯ. ФОРМУЛИРОВАНИЕ ЦЕЛИ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Конструктивные и технологические методы обеспечения заданного уровня герметичности.

1.2. Топографические параметры, влияющие на уплотнение стыков.

1.3. Модели поверхности и решение контактных задач на основе фрактальных представлений.

1.4. Модели протекания.

Цель и постановка задач исследований.

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФРАКТАЛЬНОЙ РАЗМЕРНОСТИ

2.1. Восстановление профиля поверхности после профилографировния.

2.2. Фрактальная размерность профиля.

2.3. Фрактальная размерность поверхности.

2.4. Оценка фрактальной размерности зазора.

2.5. Построение фрактальных поверхностей.

2.6. Формирование базы данных поверхностей.

ГЛАВА 3. ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ КОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПРИ НАЛИЧИИ ШЕРОХОВАТОСТИ И ВОЛНИСТОСТИ НОМИНАЛЬНО ПЛОСКИХ СОПРЯГАЕМЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ. ф 3.1. Формирование нейросети и проведение нейрокомпьютерного моделирования.

3.2. Оценка параметров контактного взаимодействия поверхностей при наличии шероховатости и волнистости.

3.2.1. Экспериментальные исследования.

3.2.2. Контактное взаимодействие при повторном нагружении.

3.2.3. Оценка контурной площади контакта.

3.2.4. Оценка фактической площади контакта.

3.2.5. Сопоставление результатов расчёта.

ГЛАВА 4. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЗАДАННОГО УРОВНЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ.

0 4.1. Применение теории подобия для оценки утечек.

4.2. Моделирование герметичности.

4.2.1. Протекание на квадратной сетке.

4.2.2. Протекание в пористом объемном слое.

4.3. Модель фильтрации жидкости через пористую среду.

4.4. Модель протекания рабочей среды через зазор между шероховатыми поверхностями.

4.5. Экспериментальные исследования.

4.6. Оценка контактного давления и степени герметичности.

ГЛАВА 5. ТРЕНИЕ И ФРЕТТИНГОСТОЙКОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ ГЕРМЕТИЗИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ.

5.1. Оценка коэффициента трения.

5.2. Определение параметров сдвиговой прочности молекулярных связей

5.3. фреттингостойкость стыка герметизирующих устройств.

5.4. Прогнозирование долговечности и повышение фреттингостойкости затянутых условно неподвижных стыков.

ГЛАВА 6. РАЗРАБОТКА НОРМ ГЕРМЕТИЧНОСТИ СОЕДИНЕНИЙ ГИДРОПРИВОДА.

6.1. Расчёт норм герметичности элементов гидропривода.

6.2. Сборка соединений арматуры гидравлического привода.

6.3. Технико-экономическая эффективность использования полученных результатов.

Условия работы герметизирующих устройств разнообразны: при проектировании требуется уплотнять от глубокого вакуума до давлений в сотни МПа (Мегапаскалей), от температуры -200° до +500° С. При этом размеры устройств, определяемые особенностями эксплуатации, охватывают широкий диапазон от миллиметров до нескольких метров. Разнообразие рабочих условий приводит к многообразию способов создания герметичности.

Среди множества конструктивных исполнений уплотнительных устройств выделим следующие:

- уплотнения для неагрессивных сред (масло, вода, нефтепродукты);

- уплотнения для агрессивных сред (кислоты, щелочи, продукты химического производства);

- уплотнения для сред с повышенным содержанием твердых порошкообразных примесей, перекачиваемых насосами;

- специальные уплотнения, обеспечивающие требование высокой надежности.

Успешное решение задач проектирования уплотнений и технологического обеспечения надежности этих устройств зависит от достижений теории герметичности (герметологии) и контактного взаимодействия реальных твёрдых тел. Существенная роль при этом отводится моделированию процессов протекания рабочей среды (жидкости или газа) через стык контактирующих поверхностей уплотнений.

Известны следующие способы достижения требуемой герметизации:

1. силовой (за счет увеличения нагрузки, сжимающей детали герметизирующего устройства);

2. технологический (за счет обеспечения необходимого качества поверхности, в том числе и за счет применения доводочных операций - притирки, определенного сорасположения следов обработки и т.д.);

3. способы, использующие как упругие свойства резиновых и полимерных прокладок, так и пластические свойства некоторых металлов, например меди и др.;

4. способы, позволяющие использовать упругие свойства гибких металлических элементов.

Известен также жидкостной способ создания герметичности, когда полость герметизируемого пространства заполнена жидкостью или магнитожид-костью, препятствующей утечке уплотняемой среды.

Исследования условий герметичности в основном сводятся к определению зависимости между давлением среды и нагрузкой на сопрягаемые поверхности (для торцовых уплотнений), обеспечивающей для конкретного устройства заданную степень герметичности (темп утечки). В этой связи отметим принципиально разные подходы к оценке степени герметичности. В соответствии с первым подходом герметичность может быть достигнута за счет образования сплошной полоски контакта, препятствующей протеканию уплотняемой среды. Согласно второму подходу степень герметичности всегда характеризуется некоторой утечкой.

Герметичность соединений определяется, в основном, свойствами сопрягаемых поверхностей, которые в свою очередь характеризуются топографией, физико-механическими особенностями материала и, собственно, конструкцией устройства. Герметичность - это эксплуатационная характеристика уплотни-тельного устройства, количественным показателем которой является задаваемая техническими условиями утечка (расход) уплотняемой среды в единицу времени (наработки). Превышение этого показателя нормированного уровня приводит к отказу. Для разъемных неподвижных соединений и, возможно, в ряде случаев для подвижных сопряжений существует определенная вероятность полной герметизации (нулевой утечки). Такая ситуация возникает, в частности, при использовании упругих прокладок, вставок из материала, имеющего низкую твердость и др.

Формирование требуемого качества рабочих поверхностей элементов уплотнения составляет основу для управления герметичностью и включает в себя в самом общем виде следующие разделы:

- анализ условий эксплуатации и эколого-экономических требований;

- конструкторско-технологическую подготовку производства элементов герметизирующего устройства, включая выбор материалов, обеспечение качества сопряженных поверхностей и контактных давлений;

- выбор способов достижения требуемой герметичности.

В работе существенное внимание уделено применению компьютерного моделирования имитационного взаимодействия твёрдых тел с учётом шероховатости и волнистости, влиянию качества поверхности на утечку уплотняемой среды, фреттингостойкости, определяющей ресурс герметизируемых устройств, и нормированию показателей герметичности.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Определена фрактальная размерность инженерных поверхностей, используемых в неподвижных герметизирующих устройствах. На основе современных компьютерных технологий создана база данных, позволяющая решать задачу выбора уплотнительных поверхностей с необходимыми параметрами качества.

2. Установлено, что протекание рабочей среды между контактирующими поверхностями происходит по немногочисленным каналам (бесконечным кластерам, состоящим из соседних пор), определяемым топографией сопряжённых поверхностей и усилием прижатия.

3. Разработана методика оценки параметров контактного взаимодействия инженерных поверхностей с учетом шероховатости и волнистости. Сравнение результатов, полученных расчетным путем, с экспериментальными данными, показало их удовлетворительное соответствие.

4. Разработана перколяционная модель процесса протекания уплотняемой среды через пористое тело (межконтактный зазор). Оценены параметры, характеризующие темп утечек, извилистость каналов, их число и пористость уплотняемого стыка.

5. На основе теории подобия были выявлены критерии подобия. Проведены экспериментальные исследования неподвижных металл-металлических стыков, позволившие оценить величину утечек через стык при разных сочетаниях параметров рабочих поверхностей и давлениях уплотняемой среды. Результаты экспериментальных исследований находятся в удовлетворительном соответствии с результатами расчетов по модифицированной формуле Дарси.

6. Произведена теоретическая и экспериментальная оценка коэффициента трения и получена зависимость, определяющая интенсивность изнашивания элементов уплотнительного соединения, подверженного вибрационному воздействию.

7. Установлено, что применение мягких покрытий снижает амплитуду колебаний в контакте уплотнительных устройств транспортных машин, что приводит к повышению фреттингостойкости стыка.

8. Разработаны принципы и методика нормирования параметров герметичности для трубопроводных уплотнительных соединений транспортных машин.

1. Айнбиндер, С.Б. О площади контакта между трущимися телами / С.Б. Айн-биндер, // Известия АН СССР, ОТН. Механика и машиностроение. - 1962. -№6, с. 172- 174.

2. Алексеев, В.М. Основы расчёта неподвижных соединений на герметичность / В.М. Алексеев, // Сб. трудов. Контактное взаимодействие твёрдых тел. -Калинин: КГУ, 1982. с. 121-129.

3. Алексеев, В.М. Расчёт металлических уплотнений на герметичность при высоких контактных давлениях. / В.М. Алексеев, В.С Покусаев, // Сб.: Фрикционный контакт деталей машин. Калинин: КГУ, 1984. 116 с.

4. Андреев, Г.А. Исследование формирования контакта шероховатых поверхностей: автореф. дисс. канд. техн. наук./Г.А. Андреев, М.: ВНИИЖТ, 1962.

5. Аравин, В.И. Теория движения жидкостей и газов в недеформируемой пористой среде / В.И.Аравин, С.Н.Нумеров, М.: Госэнергоиздат, 1953. - 616 с.

6. Арефьев, A.B. Уплотнения индием разъёмных соединений сверхвакуумных систем / A.B. Арефьев // Приборы и техника эксперимента. 1966, № 4, с. 138-140.

7. Бабкин, В.Т. и др. Герметичность неподвижных соединений гидравлических систем. / В.Т. Бабкин, A.A. Зайченко, В.В. Александров, Б.Ф. Бызялов, В.Н. Иванов, Д.П. Юрченко, М.: Машиностроение, 1977. - 120 с.

8. Белый, В.А. Фактическая площадь касания при вязкоупругом контакте / В.А. Белый, М.Н. Петроковец, А.И. Свириденок, // Механика полимеров. 1970. -№1, с. 18-22.

9. Беркович, И.И. Трибология. Физические основы, механика и технические приложения: Учебник для вузов/ И.И. Беркович, Д.Г. Громаковский / Под ред. Д.Г. Громаковского Самар. гос. техн. ун-т. Самара, 2000. - 268 с.

10. Биргер, И.А. Резьбовые соединения / И.А. Биргер, Г.Б. Иосилевич, М., Машиностроение, 1973. - с.254.

11. Булавкин, B.B. Теория фракталов в проблеме формирования и оценки качества поверхностей изделий / В.В. Булавкин, A.A. Потапов, О.Ф. Вячеславо-ва, // Тяжелое машиностроение, 2005. №6. - С.19-25.

12. Виттенберг, Ю.Р. Шероховатость поверхности и метода её оценки / Ю.Р. Виттенберг, JL: Судостроение, 1971. - 106 с.

13. Волошин, A.A. Расчёт фланцевых соединений трубопроводов и сосудов / A.A. Волошин, JL: Судпромгиз, 1959. - 291 с.

14. Волошин, A.A. Справочник: Расчёт фланцевых соединений трубопроводов и сосудов / А.А.Волошин, Г.Т. Григорьев, JL: Машиностроение, 1979. - 125 с.

15. Ву, Ш. Модель изнашивания контактов при скольжении в режиме частичной УГД смазки / Ш. Ву, Г. Чжен, // Современное машиностроение, 1991. - №6. - С.39-47.

16. Гаркунов, Д.Н. Триботехника: Учебник для студентов втузов / Д.Н. Гаркунов, М.: Машиностроение, 1989. - 328 с.

17. Голубев, А.И. Торцовые уплотнения вращающихся валов / А.И. Голубев, -М.: Машиностроение, 1974. 214 с.

18. Гольдштейн, Л.Г. Конструкторские способы герметизации аппаратуры / Л.Г. Гольдштейн, Л.: ЛДНТП, 1967. - 34 с.

19. Гуревич, Д.Ф. Расчёт и конструирование трубопроводной арматуры / Д.Ф. Гуревич, М.: Машиностроение, 1969. - 304 с.

20. Дёмкин, Н.Б. Расход газа через стык контактирующих поверхностей / Н.Б. Дёмкин, В.А. Алексеев, В.Б. Лемборский, В.И.Соколов. // Известия вузов. Машиностроение. 1976. - № 6. - с. 40-44.

21. Дёмкин, Н.Б. Контактирование шероховатых поверхностей / Н.Б. Дёмкин, -М.: Наука, 1970. 227 с.

22. Дёмкин, Н.Б. Влияние микрогеометрии на герметичность разъёмных соединений с прокладками из низкомодульных материалов / Н.Б. Дёмкин, В.Б. Лемберский, В.И. Соколов // Известия вузов. Машиностроение, 1976. - № 6. - с. 4-6.

23. Дёмкин, Н.Б. Качество поверхности и контакт деталей машин / Н.Б. Дёмкин, Э.З Рыжов, М.: Машиностроение, 1981. - 244 с.

24. Дерягин, Б.В. Измерение удельной поверхности пористых и дисперсных тел по сопротивлению течения разряженных газов / Б.В. Дерягин // Докл. АН СССР, 1946. т.53. - с.627-630.

25. Дьяченко, П.Е. Влияние микрогеометрии поверхностей цапф на работу подшипников из свинцовистой бронзы / П.Е. Дьяченко, Б.Л. Сливко // Трение и износ в машинах. М.: Изд-во АЕ СССР, 1950. 25 с.

26. Железнов, Б.П. Расчёт точности и параметров технологического процесса изготовления запорных клапанов: автореф. дисс. на соискание уч. ст. канд. техн. Наук / Б.П. Железнов, М.: Завод-втуз при ЗИЛе, 1985. - 25 с.

27. Житомирский, В.К. Уплотнения / Под ред. В.К. Житомирского // Сборник статей. М.: Машиностроение, 1964. - 294 с.

28. Захаренко, С.Е. Исследование герметичности разъёмных прочноплотных соединений / С.Е.Захаренко, // Общее машиностроение, -1941. № 7-8. - с. 1-5.

29. Измайлов, B.B. Приближенный расчёт герметичности соединений уплотнений / В.В. Измайлов, В.И. Соколов // Известия вузов, Машиностроение, 1977. -№ 1. - с.50-55.

30. Измеров, М.А. Фрактальная модель герметичности / XVI Международная Интернет-конференция молодых учёных и студентов по проблемам машиноведения (МИКМУС пробмаш - 2004) / М.А. Измеров, В.П. Тихомиров / тезисы докладов - Москва: ИМАШ РАН, 2004. - С. 41.

31. Калашников, В.А. Исследование и расчёт оптимальной точности геометрических параметров уплотнения клапанного типа: автореф. дисс. на соискание уч. ст. канд. техн. Наук / В.А. Калашников, М.: Завод-втуз при ЗИЛе, 1982.-20 с.

32. Киселев, Г.П. Основы уплотнения в арматуре высокого давления / Т.П. Киселев, M.:, JL: Госэнергоиздат, 1950. - 124 с.

33. Ковальский, Б.С. Контактная задача в инженерной практике / Б.С. Ковальский, // Известия вузов. Машиностроение, I960. № 6. - с. 1-97.

34. Коллинз, Р. Течение жидкостей через пористые ¡материалы / Р. Коллинз, -М.: Мир, 1964.-350 с.

35. Комбалов, Б.С. Влияние шероховатости твердых тел на трение и износ / Б.С. Комбалов, М.: Наука, 1974. - 112 с.

36. Кондаков, J1.A. Уплотнения гидравлических систем / J1.A. Кондаков, М.: Машиностроение, 1972. - 240 с.

37. Корн, Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров/ Г. Корн, Т. Корн -М.: Изд-во «Наука», 1978. 832 с.

38. Котельников, А.П. Исследование технологических возможностей повышения плотности плоских стыков: Автореф. дисс. на соискание уч. ст. канд. техн. наук / А.П. Котельников, Брянск: БИТМ, 1977.4344,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,

39. Крагельский, И.В. 0 природе контактного предварительного смещения твёрдых тел / И.В. Крагельский, Н.М. Михин // ДАН СССР, 1963. 153, № 1. -с. 78-81.

40. Крагельский, И.В. Трение и износ / И.В. Крагельский, М.: Машиностроение, 1968. - 480 с.

41. Крагельский, И.В. Узлы трения машин / И.В. Крагельский, Н.М. Михин -М.: Машиностроение, 1984. 280 с.

42. Крагельский, И.В. Основы расчётов на трение и износ / И.В. Крагельский, Н.М. Добычин, B.C. Комбалов М.: Машиностроение. 1977. - 526 с. Крагельский, И.В. Коэффициенты трения / И.В. Крагельский, И.Э. Виноградова. - М.: Машгиз, 1962. - 220 с.

43. Крымасев, В.П. Теплоотдача, сопротивление и температурные поля при фильтрации газа в пористых телах / В.П. Крымасев, // Труды ЦАГИ им. проф. Н.Е.Жуковского. Выпуск 1408. М., 1972.

44. Кулак, М.И. Фрактальная механика материалов / М.И. Кулак. Мн.: Высш. шк., 2002.-304 е.: ил.

45. Левина, З.М., Решетов Д.Н. Контактная жесткость машин. М.: Машиностроение, 1971. - 264 с.

46. Лейв, Г.Я. Исследование технологических факторов, влияющих на плотность фланцевого соединения / Г.Я. Лейв, // Сб. тр. ЦНИИТ судостроения. Л.: Судпромгиз, вып.40. 1963. - с.41-43.

47. Максак, В.И. Предварительное смещение и жесткость механического контакта / В.И. Максак, М.: Наука, 1975. - 59 с.

48. Мамонтов, Г.В. Прокладки для фланцевых соединений, арматуры, трубопроводов и оборудования для нефтяной, химической и газовой промышленности / Г.В. Мамонтов, Г.З. Ватин // Промышленная трубопроводная арматура. М.: ХИ-10,1972. -29 с.

49. Маджумдар, А. Фрактальная модель упруго пластического контакта шероховатых поверхностей / А. Маджумдар, Б. Бхушан // Современное машиностроение. Сер. Б, 1991. - С. 11-23.

50. Мандельброт, Б Фрактальная геометрия природы / Б. Мандельброт / Пер. с англ. М.: Институт компьютерных исследований, 2002.-656 с.

51. Мендельсон, Д.А. Влияние отклонения формы уплотняющих поверхностей на усилие уплотнения затвора / Д.А. Мендельсон, // Химическое и нефтяное машиностроение, 1977. № 7. - с. 37-38.

52. Митрофанов, Е.П. Влияние формы и размеров соприкасающихся тел на величину сближения и площадь фактического контакта / Е.П. Митрофанов, // Теория трения и износа. М.: Наука, - 1965. - с. 112-114.

53. Михин, Н.М. Внешнее трение твёрдых тел / Н.М. Михин, М.: Наука, 1977. -222 с.

54. Михин, Н.М. О связи площади касания и сближения при неподвижном и скользящем контактах / Н.М. Михин, // Сб.: Трение твёрдых тел. М.: Наука, 1964. - с.62-65.

55. Молдаванов, О.И. Исследование эксплуатационной надёжности фланцевых соединений трубопроводных систем: автореф. дисс. на соискание уч. ст. канд. техн. наук / О.И. Молдаванов, М.: МИХМ, 1972.

56. Мур, Д.Ф. Основы и применение трибоники / Д.Ф. Мур, М.: Мир, 1978. -484 с.

57. Мухаметшин, Х.Х. Исследование условий обеспечения плотности разъемных соединений узлов тракторов и автомобилей (на примере ДВС с алюминиевыми радиаторами): автореф. дисс. на соискание уч. ст. канд. техн. наук / Х.Х. Мухаметшин, Л.: Пушкин, 1968.

58. Патир, Н. Модель усреднённого течения для определения влияния трёхмерной шероховатости на частичную гидродинамическую смазку / Н. Патир, Ш.С. Чжен // Проблемы трения и смазки. 1979. - № 1. - с.10-15.

59. Погонышев, . Физика фреттинг изнашивания / . Погонышев

60. Порошин, В.В. Теоретический расчет герметичности неподвижных соединений на основе метода теории фильтрации / В.В. Порошин / Труды инженерно-экономического института. Выпуск. 2. М.: Изд-во Россельхозакадемии, 2002.-С. 480-491.

61. Порошин, В.В. Модель утечек в плунжерной паре /В.В. Порошин // СТИН, 2002, №12.-С. 13-15.

62. Продан, В.Д. Исследование вопросов механизма герметизации плоских упругих неподвижных уплотнений: автореф. дисс. на соискание уч. ст. канд. техн. наук / В.Д. Продан, М.: МИШ, 1968.

63. Проников, A.C. Основы надёжности и долговечности машин / A.C. Прони-ков, М.: Изд-во стандартов, 1969. - 160 с.

64. Протопопов, В.Б. Конструкции разъёмных соединений судовых трубопроводов и их уплотнения / В.Б. Протопопов, Д.: Судостроение, 1972. - 96 с.

65. Протопопов, В.Б. Уплотнения судовых фланцевых соединений / В.Б. Протопопов, JL: Судостроение, 1966. - 160 с.

66. Раздолин, М.В. Уплотнения авиационных гидравлических агрегатов / Раздо-лин, M.B. М.: Машиностроение, 1965. - 194 с.

67. РМ-3-62. Руководящий технический материал "Приложение к силовым расчётам запорной арматуры".

68. Рот, А. Вакуумные уплотнения / А. Рот, М.: Энергия, 1971. - 464 с.

69. Рудзит, Я.А. Микрогеометрия и контактное взаимодействие поверхностей / Я.А. Рудзит, Рига: Зинатне, 1975. - 214 с.

70. Рыжов, Э.В. Влияние качества поверхности на контактную жесткость деталей / Э.В. Рыжов, // Вестник машиностроения. 1971. - № 7 - с. 18-21.

71. Рыжов, Э.В. Контактная жесткость деталей машин / Э.В. Рыжов, М.: Машиностроение - 1966. - 195 с.

72. Рыжов Э.В. Технологические методы повышения износостойкости деталей машин / Э.В. Рыжов, Киев: Наукова думка, 1984. - 272 с.

73. Рыжов, Э.В. Технологическое управление геометрическими параметрами контактирующих поверхностей / Э.В. Рыжов, // Расчетные методы оценки трения и износа. Брянск: Приокское книжное изд-во - 1975. - с.98-138.

74. Скворцов, Б.В. Исследование влияния конструктивно-технологических факторов на повышение работоспособности титановых трубопроводов газотурбинных двигателей: автореф. дисс. на соискание уч. ст. канд. техн. наук / Б.В. Скворцов, М.: МАТИ, 1973.

75. Солдатов, В.Ф. Повышение работоспособности разъёмных неподвижных соединений трубопроводов конструктивно-технологическими методами: автореф. дисс. на соискание уч. ст. канд. техн. наук / В.Ф. Солдатов, М.: Завод-втуз при ЗИЛе, 1983.

76. Строганов, Г.А. Установка для испытаний пневмоаппаратуры / Г.А. Строганов, М.Д. Мельник, В.Ф. Солдатов, В.А. Николаев, В.В. Порошин // Автомобильная промышленность. 1985. - № 7 - с. 28.

77. Строганов, Г.А. Установка для испытания на герметичность. / Г.А. Строганов, В.Ф. Солдатов, В.А. Тюняев, В.В. Порошин, С.И. Шаравин // Автомобильная промышленность. 1985. - № 5 - с. 34.

78. Суслов, А.Г. Технологическое обеспечение контактной жесткости соединений, А.Г. Суслов, М.: Наука, 1977. - 101 с.

79. Суслов, А.Г. Технологическое обеспечение параметров состояния поверхностного слоя деталей / А.Г.Суслов. М.: Машиностроение, 1987. - 208 с.

80. Тихомиров, В.П. Критерий герметичности плоских сопряжений / В.П. Тихомиров, О.А. Горленко / Трение и износ, 1989.- Т.10, №2. С. 214-218.

81. Тихомиров, В.П. Имитационное моделирование герметичности плоских стыков / В.П. Тихомиров, Л.В. Вольнер / Машиностроение, 1986. №2. - С. 91-94.

82. Тихомиров, В.П. Обеспечение заданного уровня герметичности на стадии проектирования / В.П. Тихомиров, М.А. Измеров / Материалы 5-й межд. науч.-техн. конф., г. Брянск, 19-21 октября 2005 г. / Под общ. ред. А.Г.Суслова. -Брянск: БГТУ, 2005. С.9-11.

83. Ткач, Л.П. О механизме герметизации и оценке плотности подвижных контактных уплотнений / Л.П. Ткач, А.Д. Домашнев // Химическое и нефтяное машиностроение. 1968. - № 11. - с. 6-7.

84. Туник, A.A. К вопросу о расчёте плоских металлических уплотнений периодического действия / A.A. Туник, // Арматуростроение, ЦКБА: 1972. № 1. -с. 47-54.

85. Туник, A.A. К вопросу создания математической модели плоского металлического уплотнения / A.A. Туник, // Труды Ленинградского НИиКИХМ. -Л.: 1965.-№5.-с.14-16.

86. Федер, Е. Фракталы / Е. Федер / Пер. с англ.: Мир, 1991. - 254 с.

87. Хебда, М. Справочник по триботехнике: В2т. / М. Хебда, A.B. Чичинадзе / Теоретические основы М.: Машиностроение, 1989 - Т.1 - 397с.

88. Цейтлин, С.М. Измерение инфранизкочастотных колебаний. Виброметрия / С.М. Цейтлин, М.: Знание, 1973.

89. Цукидзо, Т. Кикай Гаккай ромбунсю / Т. Цукидзо, 1966. 32,1083.

90. Цукидзо, Т. Современное состояние и тенденция исследования уплотнения стационарных твёрдых тел / Т. Цукидзо, // Характеристики уплотнения твёрдых тел в статическом контакте, Дзюнкацу,1969. - т. 14, № 5. - с.228-231.

91. Чоу, Влияние шероховатости поверхностей на среднюю толщину плёнки смазки между смазанными роликами / Чоу, Ш.С. Чжен // Проблемы трения и смазки. -1976. -№ 1. с.123-130.

92. Щупляк, И. А. Исследование плотности фланцевых соединений с прокладками из полимеров: автореф. дисс. на соискание уч. ст. канд. техн. наук / И. А. Щупляк, Л.: ЛГИ им. Ленсовета, 1965.

93. Экслер, Л.И. О работе контактного металлического уплотнения / Л.И. Экс-лер, // Химическое и нефтяное машиностроение. 1966. - № 2. - с.5-8.

94. Эфрос, А.Л. Физика и геометрия беспорядка / А.П. Эфрос. М.: Наука,1982. -176 С.

95. Agarwal, R.A., An analysis of surface profiles for stationarity and ergodicity / R.A. Agarwal, G.S. Patki, S.K. Basu // Precision Engineering. 1979. - Vol.1, №.3.

96. Bear, J. Dynamics of fluids in perous media, American Elswier Publ. Comp / J. Bear, New - Jork, 1972. - 612 p.

97. Chenq, H.S. EHD Lubrication of Circumferentially Ground Rough Disks / H.S. Chenq, A. Dyson, ASLE Paper No. 76-LC-1A-2; 1976. p. 89-96.

98. Davis, E J. The application of 3-D topography to engine bore surface / E.J. Davis,

99. P.J. Sullivan, K.J. Stout // Surface Topography. 1988. - Vol.1, №2 - Pp.229 -251.

100. Hodgson, S.G. The generation of agglomerate oxide plateau under conditions of low load and speed / S.G. Hodson / Interface Dynamics Tribology, Series, 12, Elsevier, Amsterdam, 1988. -P.297-304.

101. Huang, Y.Y. Grinding surface characterisation by CEST / Y.Y. Huang, S.M. Wu, // International Journal of Machine Tool Design and Research. 1986. - Vol.26, №4-Pp.431-444.

102. Lim, S.C. Wear mechanism maps / S.C. Lim, M.F. Ashby // Acta Metallogr., 1987.-V.35.-P.1-24.

103. Moore, D.F. Pep in PC, 88. National Institute for Physical Planning and Construction Research, Dublin, 1972. p. 10-15.

104. Novikov, N.V. Mechanical property rnesurement etechnigues of structural material at cryogenic temperatures / N.V. Novikov, Adv. Cryogen. End. Vol 22. New -Jork-London, 1977.-p. 113-118.

105. Parker, R.C. The Static Coefficient of Triction and the Area of Contact / R.C. Parker, D. Hatch. Proc. Phys. Soc., Vol. 63,1950. - p. 185-197.

106. Peklenik, J. New Development is Surface Characterization and Measurements by Means of Random Process Analysis / J. Peklenik, Proc. Inst. Mech. Engrs., Vol. 182, Part. 3K. 1967-1968. -p 108.

107. Poroshin, V.V. Numerical analysis of calculating flow factors in immovable seals / V.V. Poroshin, D.G. Bogomolov // International design conference "Design 2000". Cavtat - Dubrovnik, Croatia, 23-26 May 2000. - 6c.

108. Pratt, J.S. The Effect of a Tangential Force on the Contact of Metallic Bodies / J.S. Pratt, E. Eisner, Proc. Roj. Soc., Vol 238, № 1215,1957. - p. 529-550.

109. Radcliffe, S.J. The analysis and presentation of multi-trace data, and some appli-catins in industrial research / S.J. Radcliffe, A.F. George, // Surface Topographyio 1988. - Vol. 1, №2 - Pp. 215 - 227.

110. Roberts, J. Gaskets and bolted joints / J. Roberts, Journal of Applied mechanics, 1950.- 17, №2.-p. 17-21.

111. Roth, A. Sealomary and sealography / 3-rd International Conf. Fenid. Seal. Cem-bridqe, 1967. (Reprints paper) S.j., s.a., c 2/7 - c. 2/36.

112. Roth, A. Vacuum / A. Roth, 1970. - v. 20, № 10. - p. 431-435.

113. Trutnovsky, K. Beruhrungsdichtunqen an ruhenden und beweqten Maschinenteilen, / K. Trutnovsky, Berlin, 1958. - 144 s.