автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Разработка манжетных уплотнительных устройств возвратно-поступательного действия при повышенном давлении рабочей среды

На правах рукописи

005539221

Дяшкин Андрей Владимирович

РАЗРАБОТКА МАНЖЕТНЫХ УПЛОТНИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ. ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ ПРИ ПОВЫШЕННОМ ДАВЛЕНИИ РАБОЧЕЙ СРЕДЫ

05.02.02 - Машиноведение, системы приводов и детали машин

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

21 НОЯ 2013

Волгоград-2013

005539221

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

Научный руководитель доктор технических наук, профессор,

Пындак Виктор Иванович.

Официальные оппоненты: Новиков Вячеслав Владимирович

доктор технических наук, доцент, СПО «Волгоградский колледж газа и нефти» ОАО «Газпром», зам. директора по учебной работе НОУ;

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

Ведущая организация ФГБОУ ВПО Кубанский государственный

технологический университет, г. Краснодар.

Защита состоится « 20 » декабря 2013 г. в 12 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.028.06. созданного на базе Волгоградского государственного технического университета по адресу: 400005 г. Волгоград, проспект Ленина, 28, ауд. 210.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВолгГТУ.

Автореферат разослан «/У» ноября 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Быков Юрий Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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

Некоторые выпускаемые в России гидрофицированные объекты базируются на устаревшие приводы, рассчитанные на рабочее давление до 16 МПа. Современные машины, в том числе импортные, имеют надёжное гидрооборудование на давление 21...40 МПа, а часть нефтегазового оборудования функционирует при давлении до 70 МПа. При росте давлений усложняется работа уплотнений.

Эффективность предлагаемы?: уплотнительных устройств возвратно-поступательного действия проявляется при повышенном давлении и разнообразии рабочей среды. При такой трактовке решаемые проблемы относятся к числу особо актуальных.

Степень разработанности темы. Серийные уплотнительные устройства не соответствуют современным требованиям, прежде всего при высоком давлении - до 70 МПа. Новые разработки по уплотнениям представлены в работах В.В. Буренина, С.П. Ереско, В.Я. Штро, В.В. Гаевский, A.A. Толоконникова, C.B. Герасимова, В.П. Алексеева и др. Однако долговечность этих устройств недопустимо снижается с ростом рабочего давления среды. Недостаточно разработаны задачи напряженно-деформированного состояния уплотнительных пакетов.

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

Объект и предмет исследований. Пакеты уплотнений с M - образными манжетами преимущественно из резиноткани в широком диапазоне давлений рабочей среды - от 25 до 70 МПа; модификация серийных резиновых манжет. Стенды для испытаний уплотнений возвратно-поступательного действия. Экспериментальные исследования новых уплотнительных устройств и теоретическое определение их напряжённо-деформированного состояния.

Задачи исследования.

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

2. Уточнить технологию поверхностной диффузионной модификации для повышения модуля упругости и триботехнических свойств на уплотняемой поверхности манжет, работающих при повышенном давлении рабочей среды.

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

4. На основе методов конечных элементов и теории упругости предложить методику расчёта напряжённо-деформированного состояния пакетных уплотнений (с использованием инженерной программы АИБУ5).

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

Научная новизна работы. Разработана методика повышения эксплуатационно-технологических показателей уплотнительных устройств возвратно- поступательного действия при высоком давлении за счет диффузионной поверхностной модификации и - образных резиновых манжет и применения новых М - образных резинотканевых манжет, уплотнительные элементы которого разгружены от осевой нагрузки. На основе методов конечных элементов и теории упругости предложена методика расчета напряжённо-деформированного состояния пакетных уплотнений с использованием инженерной программы АШУБ.

Новизна технических решений защищена двумя изобретениями.

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

Теоретическая и практическая значимость. Осуществлено совершенствование и разработаны основы конструирования пакетных уплотни-тельных устройств из резиноткани и полимеров на давление до 70 МПа с новыми М - образными манжетами; апробирована простая и надёжная технология диффузионной поверхностной модификации серийных резиновых манжет. Благодаря этому существенно повыщается износостойкость и технический ресурс уплотнений при снижении не менее чем в 2 раза их энергоёмкости.

Методология и методы исследования. Аналитические исследования проводились на основе законов теории упругости и вариационных исчислений решения задач - методом перемещения; численная реализация осуществлена с применением метода конечных элементов. При определении упругих свойств резинотехнических материалов использован метод сравнительных испытаний на образцах. Экспериментальные исследования уплотнительных устройств проведены на стенде с имитацией условий эксплуатации.

Положения, выносимые на защиту:

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

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

- определение модуля упругости нетрадиционных уплотнительных материалов;

- стендовое оборудование для сравнительного экспериментального исследования уплотнений;

- экспериментальное определение показателей силы трения и наработки серийных, модифицированных и новых (с М - образными манжетами) уплотнений;

- аналитическое исследование напряженно-деформированного состояния одиночных и пакетных уплотнений с использованием инженерной программы АКБУБ;

- определение комплексных показателей эффективности модифицированных и новых уплотнительных устройств.

Реализация работы. Стендово-испытательное оборудование изготовлено и использовалось в Волгоградском заводе буровой техники и в

Волгоградском государственном аграрном университете. Разработана и апробирована опытно-промышленная технология модификации резинотехнических изделий. Уплотнения с резинотканевыми М - образными манжетами на давление до 70 МПа, после испытаний и экспериментальной отработки, использованы в нефтегазовом оборудовании, выпускавшемся в ВЗБТ и в ПО «Баррикады» (Волгоград).

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

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

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 18 научных работах, из них 6 - в журналах ВАК РФ, две - в материалах международной конференции; получено также 2 патента на изобретения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. Современное состояние проблемы

Стандартных уплотнений возвратно-поступательного действия ограниченное количество: резиновые кольца круглого, овального и фигурного сечений на давление р~ 10,5 МПа (иногда используются при р до 16 МПа); манжеты и — образного сечения, по ГОСТ р до 50 МПа (фактически, как будет показано, значительно меньше); шевронные (V — образные) резинотканевые манжеты (р < 63 МПа). Известно множество уплотнительных устройств, созданных изобретателями, но не нашедших заметного распространения.

В качестве примера покажем пакетные манжетные уплотнения шевронного типа на повышенное давление рабочей среды (рис. 1). Для герметизации соединения такие манжеты необходимо «раздавливать», посколь-

ку на верхней кромке давление рг меньше давления среды (рг/р < 1; рис. 1, в). Но при «раздавливании» (см. остальные позиции рисунка 1) возрастают силы трения, снижается технический ресурс уплотнений.

Известно незначительное количество работ, посвященных расчётам и теоретическим исследованиям уплотнений, в основном простейших колец круглого сечения. Наметилась тенденция привлечения для этих целей математического аппарата метода конечных элементов и теории упругости. Уплотнения трактуются как осесимметричные тела, для которых методы расчёта упрощаются.

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

Рис. 1. Пакетные манжетные уплотнительные устройства

2. Технические решения по созданию пакетных уплотнительиых устройств и их экспериментальное исследование

Первые схемно-конструктивные решения по созданию принципиально новых пакетных уплотнительиых устройств со специальными М -образными резинотканевыми манжетами высокого давления были реали-

зованы в ОКБ Волгоградского завода буровой техники (мы принимали участие в испытаниях). Разработки выполнены для морского нефтегазового оборудования на рабочее давление = 70 МП а, испытательное давление 1,5 р =105 МПа.

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

Результаты испытаний (таблица) показывают, что стандартные ман-жетыдержат давление р лишь после предварительного поджатая пакета, но давление 1,5/? манжеты не держат. Усиленные манжеты не приспосабливаются к давлению среды. М — образные манжеты функционируют без ограничений, это подтвердили разнообразные эксперименты, включая определение силы трения (снижается почти в 3 раза).

б

Рис. 2. Пакетные манжетные уплотнения для сравнительных испытаний

На основе М - образных манжет разработано несколько вариантов пакетов. Главной особенностью уплотнения двустороннего действия (рис. 3, а) является наличие особого полимерного кольца 3, обеспечивающего работу обеих манжет вне зависимости от направления действия давления. Уплотнение одностороннего действия (рис. 3, б) предназначено для работы в сложных условиях, например, в составе поршней буровых насосов. Здесь специальное нажимное кольцо 4 заменяет нажимную манжету и металлическое нажимное кольцо.

Таблица - Результаты испытаний пакетных уплотнений на герметичность

Тип манжеты Число рабочих манжет в пакете Предварит, поджатие пакета, мм Макс, давление при оп-рессовке, МПа Наличие утечек Оценка работоспособности при 70 МПа

По ГОСТ 6 1,0 70 Есть Неработоспособны

2,5 70 Нет Работоспособны

Усиленная 6 2,25 40 Есть Неработоспособны

3,25 40 Есть

7 4,00 60 Есть

М - образная 5 1,0 70 Нет Работоспособны

Отдельно М - образная манжета в сечении (рис. 3, в) содержит центральный выступ 5 и два расположенных по бокам пружинистых уплотни-тельных лепестка 6, соединённых с выступом посредством «слабых» перемычек 7. В лепестках предусмотрены опорная 8 и уплотняющая 9 плоскости, а также плоскости 10 возможного контакта с соседней манжетой или соответствующими кольцами. Основную нагрузку воспринимают выступы, а лепестки обеспечивают герметизацию соединения, приспосабливаясь к рабочей среде.

Рис. 3. Уплотнения на основе М - образных манжет

Разработаны также уплотнения на основе ранее неизвестных Ж - образных манжет и оригинальное уплотнение неподвижного соединения.

В работе описаны: пневмогидравлические стенды ВЗБТ для испытаний уплотнений высокого давления (70 МПа) и наш стенд с гидродвигателем возвратно-поступательного действия на давление до 40 МПа. Приводная и исполнительная части стендов не сообщаются между собой, что позволяет варьировать рабочей средой уплотнений. На стенде ВолГАУ проводили сравнительные испытания пакета по схеме рис. 3, а и стандартных резиновых и - образных манжет.

Для повышения прочности и износостойкости манжет из маслобен-зостойкой резины проводили их диффузионную поверхностную модифи-

кацик». Ранее этой проблемой занимались Ю.А. Анцупов, Ю.Н. Дроздов, О.В. Душко, П.В. Поляков, В.И. Пындак и др.

Метод (технология) модификации заключается в следующем. Модификацию проводят на готовых деталях (в нашем случае на стандартных резиновых и - образных манжетах) путём их выдержки в специальном растворе. Проводили также исследования на образцах из маслобензостойкой резины III группы марки 7-3825. Для экспериментов использовали раствор дифениягуанидина и хлороформа, время обработки 10...24 часов; для манжет достаточно 10 часов. После этого проводят сушку деталей при 60°С до удаления раствора и термофиксацию при температуре 140...150°С на протяжении 1...2 часов. Хлороформ, как органический растворитель каучука повышает способность к набуханию резины, создавая условия для сшивания и проникновения молекул вулканизирующих веществ (растворенных в нем) в поверхностный слой резины. Дифенилгуанидин способствует получению высокомодульных резин и применяется в качестве ускорителя вулканизации.

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

Экспериментально определяли модуль Е образцов из резиноткани (марка резины 51-3058-1 и ткань Доместик) по четырём вариантам опытов при погружении усилием до 70 кН; испытания проводили также на образцах из полиуретана. Для резиноткани Е = 580...610 МПа, для полиуретана - примерно в 11 раз меньше, но в 3,5 раза больше, чем Е резины повышенной твёрдости. На образцах из резины (после модификации) определяли твердость с помощью прибора ТИР 2033, которая составила 82 единиц по Шору А По известной методике; на наклонной стальной плоскости находили коэффициент трения для всех образцов: для резины без модификации /~ 0,2:5; после модификации0,125; для резиноткани /~ ОД 8.

Проводили сравнительное экспериментальное исследование уплотнений СО' стандартными и - образными манжетами, этими же, но модифицированными, манжетами и с новыми М - образными манжетами из резиноткани. Определяли, в частности, утечки д через уплотнения в зависимости от давления р среды (рис. 4).

При р = 25 МПа через ¿7- образные, в том числе модифицированные (£/мод), манжеты наблюдаются повышенные утечки. Это означает, и будет подтверждено ниже, что для стандартных манжет это критическое давление. Минимальные утечки д (всего 1 мл/мин) характерны для М - образных манжет, это результат действия их самоустанавливающихся пружинистых лепестков.

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

цм/1/мин

Рис. 5. Наработка уплотнений по критерию утечек (р = 30 МПа)

20 30 <Ю 50 60 270280290300 1.ЧОС

Отсутствие утечек (д = 0) при наработке до 53 часов свидетельствует о приработке и саморегулировании М - образных манжет. Здесь испытания закончились при / = 300 часов, хотя утечки не достигли критического уровня.

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

3. Исследование пакетных манжетных уплотнительных устройств

Элемент уплотнения, как частица осесимметричного тела, воспринимает нормальные и касательные напряжения. Многие авторы отмечают, что при деформации < 10... 15% напряжения в упругом теле подчиняются линейному закону Гука, что упрощает задачу.

Потенциальную энергию при работе уплотнительного устройства можно записать в виде:

IV = ^ С Ш 2 (у? + + <4) + (иг + г)2 + « {иг + " + ы^| rd.rd.zde +

V

+ Ч Л + = 0 ,

где ип Ol г, щ, ojz — деформации (перемещения); и/г - деформация по углу; V, s - объём пакета и площадь действия давления; q - распределённая нагрузка, МПа; г - текущая координата; Fгр - сила трения; I - смещение под действием нагрузки; 1\ - длина линий контакта при движении.

Дискретизация уплотнения в сечении осуществлялась четырёхугольными восьмиузловыми и треугольными шестиузловыми изопараметриче-скими элементами в глобальных цилиндрических координатах {г, z), где z — ось вращения модели. -

Функции формы для конечного четырёхугольного элемента первоначально записываются в терминах локальных координат (<f, цу.

[yvj = lNt.N2...N8J.

Далее раскрываются выражения Агь N2...Ng и записывается смещение {U]={urx>} внутри элемента. После этого определяются напряжения {&}='[D\{s}, где [D] - матрица деформации.

В конечном итоге потенциальная з нергия W уплотнения записывается в матричном виде. Это позволяет решать задачи напряжённо-деформированного состояния уплотнений. Для решения этих задач использовали инженерный программный комплекс ANS YS, который позволяет определять смещения (перемещения), напряжения, упругие деформации, контактные давления на уплотняемые поверхности, силы трения и т.п.

Объектами расчётов были уплотнения, которые подвергались экспериментальным исследованиям, а именно: U- образные резиновые манжеты; те же манжеты, но модифицированные; уплотнения с М - образными манжетами из резиноткани. Их модуль у пругости Е принимали на основании экспериментальных и литературных данных: для резины повышенной твёрдости Е( = 20 МПа; на поверхности модифицированной резины Е\ = 60£о= 1200 МПа; для резиноткани при давлениях р <25 МПа Е = 520 МПа, при р> 30 МПа Е = 610 МПа; для фторопласта - материала кольца, взаимодействующего с М - образными манжетами (рис.3, а), Е = 850 МПа. Объектами расчётов были также М - образные манжеты из полиуретана (£=46 МПа).

Выполнена интерпретация программы ANS YS для исследования многокомпонентных угтлотнительных устройств. Для уплотнительных пакетов с двумерной постановкой задачи подходит элемент PLANE 183. Резина

трактуется как гиперупругий материал, резиноткань - как упругопластич-ный несжимаемый материал. Используется модель Кулонова трения, в которой сдвигающее напряжение зависит от контактного давления р и сопротивления трения покоя СОНЕ: т =_/£> + СОНЕ.

Напряжённо-деформированное состояние уплотнений оценивали по показателям: величина и характер распределения напряжений по всему сечению манжеты; деформации манжеты; контактные давления (напряжения) по плоскостям взаимодействия с цилиндром. Нагружение манжеты и возникающие при этом напряжения сжатия характеризуют полученные на компьютере цветные «картинки» сечения.

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

О 4.5 9 13.5 18 22.5 27 30 Рис. 6. Напряжённо-деформированное состояние (а) и контактные напряжения (б) и— образной манжеты без модификации прир = 25 МПа

При р = 25 МПа напряжения ог (контактные давления) на внешних плоскостях манжеты достигают 26 МПа (рис. 6, б). Здесь условие герметизации соединения следующее: аг = р + 1 МПа.

Совершенно иной характер распределения напряжений по сечению и - образных манжет - после их диффузионной поверхностной модификации. В расчётах принято: глубина модификации 1 мм; модифицированный слой условно разбивается на 3 слоя - в каждом слое свой модуль упругости Е в диапазоне от 1200 до 20 МПа.

При нагружении таких манжет основные напряжения сосредотачиваются в приповерхностном слое. В частности, при давлении рабочей среды р = 20...30 МПа возникают высокие локальные напряжения в раструбе манжеты и по краям тыльной стороны манжеты, достигая в отдельных местах 150 МПа (!). При этом фон напряжений сердцевины манжеты составляет ~ 15 МПа. Это обеспечивает высокие эластичные и демпфирующие свойства манжеты.

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

Рис. 7. Напряжённо-деформированные состояние (а) и контактные напряжения (б) и— образной модифицированной манжеты при р = 35 МПа

Контактные (герметизирующие) напряжения на внешних уплотнительных поверхностях манжеты (на примере р = 35 МПа) распределяются фрагментарно (рис. 7, б). Но максимальный уровень напряжений аг достигает 55 МПа, что ~ в 1,6 раза превосходит давление р.

Аналитические исследования М - образных манжет выполнены в составе пакетного уплотнения (рис. 3, а). Это стало возможным потому, что при наличии промежуточного кольца из фторопласта определяющие осевые усилия передаются через центральные выступы манжет вне зависимости от их ориентирования.

При давлениях р до 35 МПа М - образные манжеты полностью не раскрывают свои возможности. Например, при р — 25...30 МПа напряжения сжатия по оси выступов манжет достигают 90 МПа - с локальными «вкраплениями» до 120 МПа (рис. 8, а). Столь высокие напряжения не относятся к пружинистым уплотняющим лепесткам, которые определяют герметизирующие свойства уплотнения; здесь основной фон напряжений ~ 15 МПа.

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

Прир = 35 МПа контактные давления в виде пиков напряжений су на уплотняющих кромках лепестков характеризуются величиной 120 МПа (рис. 8, б). Это обеспечивает надёжную герметизацию соединения: оу/р «3,4. В реальных уплотнениях пики напряжений аг сглаживаются.

тактные напряжения (б) с М - образными манжетами при р = 35 МПа

Важнейшие показатели - силы трения уплотнений, зафиксированные экспериментально (глава 2) и аналитически, представлены в виде сравнительных данных (рис. 9). Здесь индекс Т означает: теоретические данные. При расчётах приняты коэффициенты трения: для и - образных манжет без модификации / = 0,25; для тех же манжет с модификацией/= 0,125; для резинотканевых М - образных манжет/= 0,18.

Сравнение полученных (в виде графиков) данных позволяет определить - с определённой долей условности - области существования манжет. Обоснованная область для и — образных манжет (без модификации) ограничивается давлением /7=18 МПа; на это указывает точка (Л пересечения экспериментальной и теоретической кривых. Для модифицированных манжет пересечение кривых в точке Ш сдвигается до р ~ 38 МПа.

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

4. Эффективность новых уплотнительных устройств

Для оценки новых (модифицированных) уплотнительных устройств предложены комплексные показатели эффективности. Рассматриваются и - образные модифицированные и М - образные манжеты в сравнении со стандартными {/-образными манжетами. Вводятся коэффициенты и показатели: кэ, км - коэффициенты соотношения стоимости сопоставимых манжет; - показатели технического ресурса манжет; щ, пы - показа-

тели эксплуатационно-технологических характеристик новых уплотнений; тъ, ты - показатели «расширение области применения» уплотнений.

Комплексные показатели эффективности соответственно и - образных модифицированных и М - образных манжет определяются:

q _ Ч&Пдтд. ri — Ч.уЦуЩи

Jd — У ' ^К —

Кс км

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

После преобразований и интерпретации комплексные показатели имеют значения: ЭЭ= 5,9; Эм= 22,5.

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Решена научно-техническая задача, увеличения долговечности уп-лотнительных устройств при повышенном давлении за счет разработки новых М - образных резинотканевых манжет одно - и двустороннего действия (до 70 МПа) и модифицированных U — образных резиновых манжет (до 40 МПа).

2. Разработана методика определения напряженно-деформированного состояния предложенных уплотнительных устройств, учитывающих конфигурацию, упругие свойства и материал пакетных манжетных уплотнительных устройств.

3. Для сравнительных экспериментальных исследований серийных и новых уплотнений создано стендовог испытательное оборудование с имитацией условий эксплуатации. В нетрадиционной рабочей среде пакеты с М -образными резинотканевыми манжегами обеспечивают надёжную герметизацию соединений при давлении 70 МПа и снижении в 3 раза силы трения.

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

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

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

7. Предложено эффективность новых уплотнительных устройств определять посредством комплексных показателей, учитывающие стоимостные и эксплуатационно-технологические характеристики, а также расширение области их применения.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ

1. Для снижения энергоемкости и повышения износостойкости при давлениях рабочей среды до 40 МПа производить диффузионную модификацию серийных резиновых U - образных манжет ответственного назначения.

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

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

Перспективы дальнейшей разработки темы

1 .Разработать и апробировать технологию диффузионной поверхностной модификации резинотехнических изделий одновременно с их производством.

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

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

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

В изданиях рекомендованных ВАК РФ

1. Пындак, В.И. Перспективные уплотнения в блочно-модульном исполнении / В.И. Пындак, A.B. Дяшкин, Ю.Г. Лапынин // Сборка в машиностроении, приборостроении. -2005. -№10. - С. 35-37.

2. Пындак, В.И. Уплотнительные устройства высокого давления дая наземного и морского нефтегазового оборудования / В.И. Пындак, A.B. Дяшкин, Ю.Г. Лапынин // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - 2011. — №5. — С. 5-7.

3. Пындак, В.И. Повышение эксплуатационно-технологических показателей уплотнительных устройств поршневых гидропневмоагрегатов /

B.И. Пындак, A.B. Дяшкин, Ю.Г. Лапынин // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса. - 2011. - №2 (22). - С. 34-40.

4. Пындак, В.И. Пакетные манжетные уплотнения высокого давления и их напряжённо-деформированное состояние / В.И. Пындак, A.B. Дяшкин // Вестник машиностроения. - 2012. —№Ю - С. 33-36.

5. Пындак, В.И. Повышение надёжности и долговечности уплотнительных устройств машин и оборудования / В.И. Пындак, A.B. Дяшкин,

C.Д. Фомин // Проблемы машиностроения и надёжности машин. - 2012. -№ 6. - С. 59-62.

6. Пындак, В.И. Комплексные показатели эффективности усовершенствований сельскохозяйственной техники / В.И. Пындак, A.B. Дяшкин, С.Д. Фомин // Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук. -2013. - № 2 - С. 81-83.

Патенты РФ

7. Патент № 2194898 РФ, МГ1К7 F 16 j 15/32. Уплотнительное устройство для цилиндрических пар гидропневмомашин / В.И. Пындак, Ю.Г. Лапынин, О.В. Душко, A.B. Дяшкин. - Опубл. 2002. Бюл. №35 - 7 с.

8. Патент № 2195593 РФ, МПК7 F 16 j 15/32. Уплотнительное устройство для цилиндрических пар гидропневмомашин / В.И. Пындак, A.B. Дяшкин, Ю.Г. Лапынин, О.В. Душко. - Опубл. 2002. Бюл. №36 - 7 с.

В других изданиях

9. Дяшкин, A.B. Напряжённо-деформированное состояние пакетных уплотнений высокого давления / A.B. Дяшкин //Аграрная наука - основа успешного развития АПК и сохранения экосистем: Материалы Межд)'нар. научно-практ. конф.-Т. 1. - Волгоград, 2012. - С. 418 - 421.

10. Дяшкин, A.B. Упрочнение резиновых манжетных уплотнений / A.B. Дяшкин // Интеграция науки и производства - стратегия устойчивого развития АПК России в ВТО: Материалы Междунар. научно-практ. конф. - Т. 5. - Волгоград, 2013. - С. 101 - 104.

11. Пындак, В.И. Высокоэффективное уплотнение для неподвижных соединений гидросистем / В.И. Пындак, A.B. Дяшкин, В.З. Азиев // Вестник ВГСХА. - 2006. - №2 (2). - С. 71-73.

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

13. Пындак, В.И. Высокоэффективное уплотнение для гидропневмоприводов возвратно-поступательного действия / В.И. Пындак, Ю.Г. Лапынин, A.B. Дяшкин // ИЛ № 51-057-03 ВолЦНТИ. - 4с.

14. Пындак, В.И. Уплотнение двустороннего действия для поршневых гидропневмоприводов / В.И. Пындак, Ю.Г. Лапынин, A.B. Дяшкин // ИЛ № 51-104-03 ВолЦНТИ. - 4 с.

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

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

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

18. Пындак, В.И. Повышение эксплуатационных показателей резиновых уплотнений / В.И. Пындак, A.B. Дяшкин // ИЛ № 34-063-12 ВолЦНТИ. - 4 с.

В авторской редакции

Подписано в печать 07.11.13. Формат 60><841/16

Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 361. ИПК ФГБОУ ВПО Волгоградский ГАУ «Нива» 400002, г. Волгоград, пр. Университетский, 26.

ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет»

РАЗРАБОТКА МАНЖЕТНЫХ УПЛОТНИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ПОВЫШЕННОГО ДАВЛЕНИЯ ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО

ДЕЙСТВИЯ

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Специальность 05.02.02 — Машиноведение, системы приводов и детали машин

На правах рукописи

ДЯШКИН А<Щ^йзВ$адимирович

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор, лауреат Государственной премии СССР, заслуженный изобретатель РФ

Пындак Виктор Иванович

Волгоград - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение..........................................................................................4

1. Современное состояние проблемы и задачи исследований...................9

1.1. Современные уплотнительные устройства повышенного рабочего давления для приводов и агрегатов возвратно-поступательного действия............9

1.2. Предпосылки экспериментально-теоретических исследований уплотнительных устройств возвратно-поступательного действия.....................27

2. Технические решения по созданию пакетных уплотнительных устройств и их экспериментальное исследование......................................38

2.1. Схемно-конструктивные решения и сравнительное экспериментальное исследование новых уплотнительных устройств с М - образными манжетами высокого давления.................................................................38

2.2. Разработка нового направления в уплотнениях на повышенное давление рабочей среды.............................................................................46

2.3. Стенды для экспериментального исследования уплотнительных устройств. Особенности методики экспериментальных исследований..............56

2.4. Модификация резиновых уплотнителей. Определение модуля упругости нетрадиционных материалов для уплотнений...................................73

2.5. Сравнительное экспериментальное исследование уплотнений с серийными и - образными и новыми М — образными манжетами.......................88

3. Исследование пакетных манжетных уплотнительных устройств........98

3.1. Теоретические основы современного аналитического исследования уплотнительных устройств........................................................................98

3.2. Алгоритм расчёта напряжённо-деформированного состояния пакетных уплотнений с использованием конечных элементов...........................103

3.3. Интерпретация программы АМБУБ для исследования многокомпонентных уплотнительных устройств........................................................109

3.4. Напряжённо-деформированное состояние уплотнений со стандарт-

ными и модифицированными манжетами.................................................117

3.5. Аналитическое исследование многофункциональных уплотнений двустороннего действия с М — образными манжетами...................................133

3.6. Проблемы использования полимеров в уплотнениях. Силы трения

и давление среды.................................................................................145

4. Эффективность новых уплотнительных устройств..........................160

Заключение..............................................................................164

Литература..............................................................................166

Приложения.............................................................................177

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Уплотнения, уплотнительные устройства и уплотнительная техника занимают особое место в машиностроении различного профиля. Наиболее распространёнными, подверженными возрастающему давлению рабочей среды и лимитирующими ресурс работы, надёжность, долговечность и износостойкость гидрофицированных машин и оборудования, являются уплотнительные устройства возвратно-поступательного действия.

К числу приводов и агрегатов, функционирующих на этом принципе действия, относятся: многочисленная гамма силовых гидроцилиндров; поршневые и плунжерные системы, в том числе насосы для разнообразной рабочей среды; встроенные конструкции на различный уровень давления, включая высокое и сверхвысокое (63 и более МПа), и т.п.

Высоким давлением и неординарной рабочей средой характеризуется, в частности, некоторое нефтегазовое оборудование для бурения и эксплуатации скважин на суше и на море [96, 101, 117]. Подобные условия функционирования предопределяют необходимость дублирования уплотнительных устройств и обеспечения их безусловной надёжности.

Некоторые серийно выпускаемые в России гидрофицированные машины и оборудование базируются на устаревшие приводы возвратно-поступательного действия, рассчитанные на рабочее давление до 16 МПа. К числу таких машин относятся тракторы и сельскохозяйственные машины. Эта отрасль отечественного машиностроения деградирует, в том числе из-за низкой надёжности гидравлических приводов и систем. Поступающие по импорту и выпускаемые в России по лицензиям тракторы и сельхозмашины имеют современное и надёжное гидрооборудование на рабочее давление 21.. .40 МПа.

Эффективность предлагаемых в настоящей работе уплотнительных устройств возвратно-поступательного действия проявляется, прежде всего, при повышенном давлении и разнообразии рабочих сред. Их внедрение позволит повы-

сить технический уровень гидросистем, приводов и оборудования. При такой трактовке новых уплотнительных устройств решаемые при этом научно-технические проблемы безусловно относятся к числу особо актуальных.

Степень разработанности темы. Серийные уплотнительные устройства не соответствуют современным требованиям, прежде всего при высоком давлении -до 70 МПа. Новые разработки по уплотнениям представлены в работах В.В. Буренина, С.П. Ереско, В .Я. Штро, В.В. Гаевский, A.A. Толоконникова, C.B. Герасимова, В.П. Алексеева и др. Однако долговечность этих устройств недопустимо снижается с ростом рабочего давления среды. Недостаточно разработаны задачи напряженно-деформированного состояния уплотнительных пакетов.

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

Задачи исследования.

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

2. Уточнить технологию поверхностной диффузионной модификации для повышения модуля упругости и триботехнических свойств на уплотняемой поверхности манжет, работающих при повышенном давлении рабочей среды.

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

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

5. Предложить комплексные показатели эффективности новых уплотнительных устройств, учитывающие стоимостные и эксплуатационно-технологические

характеристики, а также расширение области их применения.

Объект и предмет исследований. Пакеты уплотнений с М - образными манжетами преимущественно из резиноткани в широком диапазоне давлений рабочей среды - от 25 до 70 МПа; модификация серийных резиновых манжет. Стенды для испытаний уплотнений возвратно-поступательного действия. Экспериментальные исследования новых уплотнительных устройств и теоретическое определение их напряжённо-деформированного состояния.

Научная новизна. Разработана методика повышения эксплуатационно-технологических показателей уплотнительных устройств возвратно- поступательного действия при высоком давлении за счет диффузионной поверхностной модификации и - образных резиновых манжет и применения новых М - образных резинотканевых манжет, уплотнительные элементы которого разгружены от осевой нагрузки. На основе методов конечных элементов и теории упругости предложена методика расчета напряжённо-деформированного состояния пакетных уплотнений с использованием инженерной программы АN375.

Новизна технических решений защищена двумя изобретениями.

Теоретическая и практическая значимость. Осуществлено совершенствование и разработаны основы конструирования пакетных уплотнительных устройств из резиноткани и полимеров на давление до 70 МПа с новыми М - образными манжетами; апробирована простая и надёжная технология диффузионной поверхностной модификации серийных резиновых манжет. Благодаря этому существенно повышается износостойкость и технический ресурс уплотнений при снижении не менее чем в 2 раза их энергоёмкости.

Методология и методы исследования. Аналитические исследования проводились на основе законов теории упругости и вариационных исчислений решения задач - методом перемещения; численная реализация осуществлена с применением метода конечных элементов. При определении упругих свойств резинотехнических материалов использован метод сравнительных испытаний на образцах. Экспериментальные исследования уплотнительных устройств проведены на стенде с имитацией условий эксплуатации.

Положения, выносимые на защиту:

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

- разработка пакетных манжетных уплотнений одно - и двустороннего действия повышенного давления (до 70 МПа) на основе М - образных манжет из ре-зиноткани;

- определение модуля упругости нетрадиционных уплотнительных материалов;

- стендовое оборудование для сравнительного экспериментального исследования уплотнений;

- экспериментальное определение показателей силы трения и наработки серийных, модифицированных и новых (с М - образными манжетами) уплотнений;

- аналитическое исследование напряженно-деформированного состояния одиночных и пакетных уплотнений с использованием инженерной программы АЫБУЗ;

- определение комплексных показателей эффективности модифицированных и новых уплотнительных устройств.

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

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

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуж-

дены на 7-й и 8-й Региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области (2002, 2003), 48-й научной конференции преподавательского состава ВолгГТУ (2011), Международной научно-практической конференции «Аграрная наука — основа успешного развития АПК и сохранения экосистем» (Волгоград, 2012), Международной научно-практической конференции, посвященная 70 - летию Победы в Сталинградской битве «Интеграция науки и производства -стратегия устойчивого развития АПК России в ВТО» (Волгоград, 2013).

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

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 18 научных работах, из них 6 - в журналах ВАК РФ, две - в материалах международной конференции; получено также 2 патента на изобретения.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Современные уплотнительные устройства повышенного рабочего давления для приводов и агрегатов возвратно-поступательного действия

У большинства уплотнительных устройств в объёмных приводах и агрегатах, в том числе в силовых гидроцилиндрах, в качестве рабочей среды применяется гидравлическая жидкость (гидравлическое масло). Современные гидросистемы работают на всесезонном масле серии МГЕ (масло гидравлическое единое). Лишь в гидросистемах отечественных тракторов и сельхозмашин зачастую применяют индустриальные и другие масла.

В своё время распространённым показателем рабочей среды считалось давление 5... 10,5 МПа, создаваемое простыми насосами шестерённого типа. Впоследствии рабочее давление среды плавно повышали, в том числе за счёт совершенствования шестерённых насосов, и довели максимальный уровень рабочего давления до 16 МПа.

Для станкостроения, строительного и дорожного машиностроения и ряда других отраслей машиностроения создавались более современные (и на более высокое давление) гидроприводы с аксиально-поршневыми, аксиально-плунжерными, поршеньковыми и иными насосами [32, 71 и др.]. Наиболее высокий технический уровень гидроприводов и их уплотнений — при давлении до 40 МПа - поддерживается в спецагрегатах и в некоторых гидроцилиндрах, например, в [32, 56, 124].

Повышение номинала рабочего давления в гидроприводах влечёт за собой усложнение условий эксплуатации уплотнительных устройств. Определённое влияние на долговечность уплотнений оказывают динамические процессы в гидросистеме: забросы (пики) давления при пусках и остановках (что характерно

для нерегулируемого гидропривода) негативно влияют на уплотнения. Большинство приводов и гидроцилиндров функционирует в режиме реверса - знакопеременные нагрузки также ухудшают работу уплотнений.

Наряду с «классическими» приводами и агрегатами, работающими на гидравлическом масле (при герметичной гидросистеме), имеются устройства, которые условно можно считать функционирующими в возвратно-поступательном режиме. К тому же рабочей средой для них могут быть агрессивные, а иногда и абразивосодержащие субстанции. К таким «приводам» можно отнести ряд устройств и систем нефтегазового оборудования на высокое давление — до 70 МПа (об этом ниже). Здесь проблемы уплотнений существенно усложняются.

Во многих публикациях и справочных пособиях, в том числе изданных в 60...80 годах XX века, в качестве уплотнений гидравлических приводов и агрегатов возвратно-поступательного действия значатся резиновые кольца преимущественно круглого сечения, а иногда кольца более сложного профиля в сечении, в частности, Х-образные [2, 23, 25, 26, 55, 62, 63, 71, 90, 119, 120, 125 и

ДР-]-

Рабочее давление гидрожидкости для таких простых уплотнений не конкретизируется, но специалистам известно, что в своё время они были предложены на давление до 10,5 МПа. Впоследствии резиновые кольца стали применять при давлении до 16 МПа, но при этом предусматриваются определённые ограничения (об этом ниже). Резиновые кольца широко используются также для герметизации неподвижных соединений.

Конфигурацию и принцип действия резиновых колец как уплотнений заимствуем из известной книги по объёмным гидроприводам под редакцией Т.М. Башты, раздел 5, глава 1 [71]. Резиновое кольцо, в том числе круглого сечения, помещают (предварительно растянув) в канавку на поршне или на штоке (рис. 1.1, а); под действием сопрягаемой детали кольцо предварительно сжимается (рис. 1.1, б). При воздействии давления рабочей среды (от себя добавим: и за счёт возникающей силы трения) кольцо деформируется, его опорная часть может продавливаться в уплотняемый зазор (рис. 1.1, б).

г д е

Рис. 1.1. Уплотнения резиновыми кольцами

Выдавливание части резинового кольца в уплотняемый зазор - это основной недостаток такого вида уплотнений; следствием этого является выкрашивание частиц кольца и нарушение герметичности соединения. Для предотвращения подобных явлений в канавку - по бокам кольца иногда устанавливают защитные пружинистые плоские разрезные кольца из антифрикционного материала (рис. 1.1, г).

Известен также ряд некруглых сечений резиновых колец, что полностью или частично предотвращает выдавливание части кольца в уплотняемый зазор. Из этой «серии» колец заметное распространение получили кольца овального (рис. 1.1, д) и Х - образного (рис. 1.1, ё) сечений. Но несмотря на это, уплотнение резиновыми кольцами не может гарантировать долговечность соединений при возвратно-поступательном движении деталей; мы считаем, что уплотнение кольцами при давлениях среды свыше 10,5 МПа нерационально.

Наиболее распространёнными уплотнительными устройствами в приводах и агрегатах возвратно-поступательного действия являются резиновые манжеты, некоторые типы манжет по данным до 1978 года представлены в книге [2]. В манжете 1, названной V - образной (рис. 1.2, а), в сечении можно индетифици-

ровать опорную и раструбную части.

Общая высота //0 сечения манжеты (