автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Совершенствование конструкций уплотнительных соединений с тонкостенными элементами

005534619

На правах рукописи (&-

кЮОГОЛОВ ЮРИЙ ИГОРЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ УПЛОТНИТЕЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ С ТОНКОСТЕННЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ (УПРУГОЙ КРОМКОЙ)

Специальность 05.02.02— Машиноведение, системы приводов и детали машин

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 о сжг т

Братск-2013

9 <->

л

005534619

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Братский государственный университет» и ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения».

Научный руководитель: Долотов Алексей Митрофаиович

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Прикладная механика» ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения»

Официальные оппоненты: Аистов Игорь Петрович

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Промышленная экология и безопасность» ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет» (г. Омск)

Тарасов Вячеслав Анатольевич

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Теоретическая и прикладная механика» ФГ'БОУ ВПО «Братский государственный университет» (г. Братск)

Ведущая организация: ОАО «Иркутский научно-исследовательский и

конструкторский институт химического и нефтяного машиностроения» (ИркутскНИИхиммаш, г. Иркутск)

Защита диссертации состоится «/^>> 2013 г. в0-£$гасов на засе-

дании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д212.018.02 при ФГБОУ ВПО «Братский государственный университет» (БрГУ) по адресу: 665709, г. Братск, ул. Макаренко 40, ауд.52 0&

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Братский государственный университет»

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 665709, г. Братск, ул. Макаренко 40, «БрГУ», диссертационный совет Д212.018.02, ученому секретарю: e-mail: efremov@brstu.ru. тел: (3953) 32-53-63, факс: (3953) 33-54-12

Автореферат разослан « /Л » сентября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

И.М. Ефремов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время для управления потоком рабочей среды и обеспечения требуемой герметичности подвижных и неподвижных соединений деталей (узлов) арматуры используются различные конструкции клапанов, задвижек, кранов, фланцев, штуцеров и др. Используемые в них сопрягаемые элементы - уплотнительные соединения (УС), должны обеспечивать требуемую герметичность в широком диапазоне давлений, температур, при различном химическом составе рабочих сред и др. условиях эксплуатации.

В настоящее время распространение в качестве УС получили цельнометаллические УС (т.н. УС «металл-металл»), где подвижный элемент УС — золотник — выполняется коническим (реже — сферическим или более сложной формы), а неподвижный элемент — седло — тонкостенным в виде оболочки вращения (иногда в литературе именуемой упругой кромкой). Чаще всего используются цилиндрические оболочки, как наиболее простые в изготовлении.

Выполнение седла тонкостенным позволяет снизить усилие герметизации в цельнометаллическом УС практически до уровня металлополимерного УС, обеспечить равномерность распределения герметизирующего усилия по периметру, снизить требования к точности монтажа и сборки.

Использование тонкостенных элементов особенно целесообразно, когда применение металлополимерных УС осложнено по условиям эксплуатации (составы рабочих сред, температурные режимы), использование притертых плоских или конических УС нерационально из-за термоциклирования, так как при этом теряются достигнутые притиркой геометрические параметры уплотнительных поверхностей.

Однако, при всех положительных свойствах тонкостенных элементов, следует отметить их чувствительность к силовому нагружению, особенно в клапанных УС, где перекрытие потока рабочей среды сопровождается динамической (ударной) нагрузкой, которая может более чем на порядок превышать статическую. При этом область рациональных геометрических размеров для тонкостенных элементов достаточно узкая. Выход из нее в одну сторону ведет к пластическому деформированию тонкостенного элемента и его возможному разрушению, а в другую сторону - к потере тонкостенным элементом его положительных свойств, а именно малых усилий герметизации и большого ресурса работы УС.

Поэтому одним из направлений совершенствования конструкций УС является снижение толщины (жесткости) тонкостенного элемента при безусловном сохранении им своих прочностных свойств, т. е. выбор таких размеров тонкостенного элемента, при которых минимизация жесткости тонкостенного элемента сочетается с обеспечением его прочности. Такие геометрические размеры будем называть рациональными.

Особо отметим, что при назначении рациональных размеров оболочечного седла одновременно обеспечивается минимизация герметизирующего усилия.

Наряду с указанным направлением совершенствования рассматриваемых УС, для клапанов важным также является снижение динамической нагрузки. Очень часто это снижение может быть достигнуто путем полной или частичной разгрузки золотника от действия давления рабочей среды. При этом одновременно с задачей снижения динамической нагруженности клапана за счет использования менее мощных приводов, улучшения габаритно-массных характеристик, что особенно важно для авиа-

ционной и космической техники, решается задача защиты оболочечного элемента от перегрузки со стороны привода при изменении давления рабочей среды.

Проблема использования тех или иных способов разгрузки золотника от действия давления рабочей среды обычно связано с появлением в клапане т.н. вторичных уплотнений (ВУ), обеспечению работоспособности которых также может помочь использование тонкостенных элементов.

На основании вышеизложенного можно заключить, что возможными направлениями совершенствования конструкций УС с тонкостенными элементами являются выбор рациональных размеров тонкостенного седла УС, при которых минимизация жесткостных свойств седла обеспечивает минимизацию герметизирующего усилия, а также разгрузка золотника клапана от давления рабочей среды, что позволяет снизить динамические нагрузки при срабатывании клапана, как основных силовых факторов, определяющих ресурсные, массогабаритные и другие эксплуатационные характеристики УС. Отсутствие рекомендаций по выбору рациональных размеров тонкостенного элемента УС, путей управления его жесткостью, снижению динамической нагрузки при срабатывании клапана и разгрузке золотника обуславливает актуальность темы диссертационной работы.

Объектом исследования является: УС с тонкостенными элементами (упругой кромкой).

Предмет исследования: обеспечение прочности тонкостенного элемента при одновременной минимизации его жесткости при неопределенной возникающей при срабатывании клапана динамической нагрузки.

Цель работы: совершенствование уплотнительных соединений с тонкостенными элементами с целью минимизации усилия герметизации и повышения ресурса УС.

Достижение поставленной цели требует решение ряда задач:

1. Анализ современного состояния конструктивных решений УС с тонкостенными элементами, с золотником, разгруженным от давления рабочей среды.

2. Определение направлений совершенствования УС с тонкостенными элементами.

3. Определение рациональных размеров оболочечно-пластинчатого седла, работающего в условиях ударного нагружения.

4. Определение рациональных размеров оболочечно-пластинчатого седла, работающего в условиях статического нагружения (с учетом давления рабочей среды).

5. Разгрузка золотника от действия давления рабочей среды.

6. Теоретико-экспериментальная проверка методики определения рациональных геометрических размеров оболочечно-пластинчатого седла затвора.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту:

1. Разработка методик статического и динамического расчетов тонкостенного оболочечно-пластинчатого седла.

2. Постановка и решение оптимизационной задачи определения размеров тонкостенного оболочечно-пластинчатого седла, работающего в условиях ударного нагружения, без предварительного определения максимальной динамической нагрузки.

3. Постановка и решение оптимизационной задачи определения размеров тонкостенного оболочечно-пластинчатого седла, работающего в условиях статического нагружения с учетом давления рабочей среды.

Обоснованность и достоверность полученных результатов подтверждаются: разработанной методикой определения рациональных геометрических размеров обо-лочечно-пластинчатого седла, реализованной с помощью универсального математического пакета РТС МаЛСАБ, конечно-элементным моделирование с использованием автоматизированных системах расчета АРМ \VinMachine и М8С.уЫ4\¥, проведенными экспериментальными исследованиями на разработанном универсальном стенде; совпадением результатов конечно-элементного моделирования и аналитических расчетов, и совпадением результатов экспериментальных испытаний и аналитических с точностью, приемлемой для инженерной практики.

Практическая ценность работы и ее реализация:

- создана инженерная методика расчета рациональных геометрических размеров седла фланцевого УС, позволяющая снизить усилие герметизации в стыке;

- создана инженерная методика расчета рациональных геометрических размеров тонкостенного оболочечно-пластинчатого седла клапана, позволяющая снизить динамические нагрузки в затворе, что позволяет прогнозировать снижение герметизирующего усилия, повышение ресурса клапана, улучшение его массо-габаритных характеристик;

- разработано стендовое оборудование, позволяющее проводить деформационные исследования тонкостенных оболочечно-пластинчатых седел с диаметром условного прохода (ДУ) до 40 мм при усилии со стороны привода до 5 кН;

- разработаны перспективные конструкции седел пониженной жесткости и золотников, разгруженных от давления рабочей среды.

Результаты диссертационной работы использованы в ОАО ИркутскНИИхим-маш (г. Иркутск) при разработке новых УС, а также используются в лекционных курсах при подготовке студентов и аспирантов в ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения» и ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет».

Апробация работы: Основные результаты научных исследований докладывались и обсуждались на научных конференциях: Международной научной конференции, посвященной памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнева «Решетневские чтения» (г. Красноярск, 2011-2012 гг.); Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы транспорта Восточной Сибири» (г. Иркутск, 2012 г.); II Всероссийской научно-практической конференции, приуроченной ко Дню космонавтики «Авиамашиностроение и транспорт Сибири» (г. Иркутск, 2012 г.); Международной конференции «Проблемы механики современных машин» (г. Улан-Удэ, 2012 г.); Третьей международной научно-практической конференции «Безопасность регионов — основа устойчивого развития» (г. Иркутск, 2012 г.); Енерго-та ресурсозбер1'гагоч1 технологи при експлуатацн машин та устаткування (Украша, г. Донецьк, 2012 г.);

Публикации: по результатам исследований опубликовано 15 научных работ, включая статьи в журналах и трудах конференций, из них 6 в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ для опубликования результатов диссертационных работ, депонированная рукопись № 508-В2011. Поданы заявки (№ 20111502212, 2011 г.; № 2012132174, 2011 г.; № 2012150424, 2012 г.) на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений и библиографического списка. Общий объем работы 174

страниц, включая 10 таблиц, 88 рисунков, библиографического списка — 179 наименований.

В приложениях приводятся результаты экспериментальных исследований седел № 2 и № 3 (Прил. 1) и программа расчета рациональных геометрических размеров оболочечно-пластинчатого седла в MathCAD 14 (Прил. 2).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность совершенствования уплотнительных соединений, сформулирована цель исследования, указана научная новизна и практическая ценность, приведена общая характеристика диссертационной работы с кратким изложением основных положений.

Первая глава диссертации посвящена обзору и анализу конструктивных решений УС с использованием тонкостенных элементов и с разгруженным золотником от давления рабочей среды, определению направлений совершенствования, постановке цели и задач диссертационного исследования.

Вопросам исследования УС деталей машин, в том числе с тонкостенными элементами посвящены работы: В.А. Ананьевского, А.И. Белоусова, И.А. Биргера, Е.Ф. Бугаенко, А.И. Гошко, А.И. Голубева, Б.М. Громыко, Л.И. Гурняка, A.M. Долотова, С.П. Ереско, В.А. Зацарного, Б.В. Кармугина, H.H. Коленко, Л.А. Кондакова, Б.П. Коновалова, Куршин А.П., В.М. Мартынова, Д.А. Мендельсона, О.П. Мулюкина, П.М. Огара, Д.Ф. Пасынкова, В.К. Погодина, В.Д. Продана, Н.Т. Романенко, О.П. Ря-ховского, Г.Г. Стратиневского, Т.П. Тер-Матиосянца, Ю.И. Тарасьева, JI.A. Савина, JI.C. Ушакова, Д.Е. Чегодаева, В.Г. Чуркина, В.В. Шелофаста, Шпакова О.Н., R. Huber, G. Ehmig, К. Vogt, Alfred Н. Rolfe, Govert J. Snoek, О. Winkler, и др.

Проведенный обзор клапанных и фланцевых УС, разработанных в СССР, России и за рубежом, выявил более 70 конструкций с использованием тонкостенных элементов. Анализ клапанных УС показал, что основным недостатком таких конструкций, является чувствительность тонкостенного элемента к изменению силового нагружения (динамическим нагрузкам) со стороны золотника при перекрытии потока рабочей среды. Как показали исследования A.M. Долотова, максимальная динамическая нагрузка, возникающая при срабатывании клапана, с тонкостенным цилиндрическим оболочечным седлом может быть определена из выражения:

Fd,n = Fst + JF¡t + 2(EK - Еф )(c, + c2 tg atg(a + <p)), (1)

где Fsl — статическая сила, действующая со стороны золотника на седло в момент касания; Ек - кинетическая энергия подвижных частей клапана в момент контакта золотника и седла; Еф — энергия, затрачиваемая на компенсацию отклонений формы сопрягаемых элементов затвора; с, — приведенная жесткость подвижных частей клапана; с2 - радиальная жесткость оболочечного элемента; а - половина угла при вершине конуса; ср — угол трения в стыке уплотнительного соединения.

Достаточно часто используются тонкостенные элементы сложной геометрической формы, которые технологически трудно реализовать на практике. Были выявлены конструкции клапанных УС, где для снижения динамических нагрузок использу-

ются осевые упоры и полимерные гасители удара, однако, такие конструктивные решения ведут к снижению ресурса УС и ограничивают область применения.

Обзор и анализ литературных источников по прочностному расчету тонкостенных элементов показал отсутствие практических рекомендаций по выбору и расчету их рациональных геометрических размеров.

Во второй части главы рассматриваются УС с частично или полностью разгруженным золотником от действия давления рабочей среды. Обзор и анализ разгруженных УС позволил условно разделить их на 4 группы, где разгрузка осуществляется с помощью: 1) поршня; 2) мембраны; 3) сильфона; 4) второго золотника (двухсе-дельные). Основным недостатком таких конструкций является громоздкость, низкая надежность, ограниченный ресурс.

Исходя из вышеизложенного и анализа выражения (1) были определены следующие направления снижения динамической нагрузки в УС с тонкостенными элементами:

1) снизить приведенную жесткость тонкостенного элемента за счет конструктивных решений (рис. 1, а), а его прочность обеспечить определением рациональных геометрических размеров.

2) снизить кинетическую энергию золотника клапана за счет его частичной или

Рис. 1. Пути совершенствования УС с тонкостенными элементами а) — вариант снижения жесткости седла: 1 - золотник; 2 - оболочечный элемент; 3 -пластинчатый элемент; б) - вариант разгрузки золотника: 1 - золотник; 2 - оболочеч-ное седло; 3 - вторичные уплотнения (ВУ)

Первая глава диссертации заканчивается постановкой цели и задач диссертационного исследования.

Вторая глава диссертации посвящена первому направлению совершенствования УС с использованием тонкостенных элементов — снижению приведенной жесткости тонкостенного элемента и разработке методики определения его рациональных геометрических размеров.

В качестве наиболее технологичной была выбрана оболочечно-пластинчатая схема седла (рис. 1, а), где тонкостенная оболочка расположена на упругой пластине, жестко закрепленной по контуру, например, в корпусе клапана. Расчетная схема тонкостенного оболочечно-пластинчатого седла представлена на рис. 2, а — для клапанного УС и рис. 2,6- для фланцевого УС.

Внешние силовые статические параметры, возникающие на верхнем торце обо-лочечного элемента, определяются из следующих выражений:

Т - —

(2) ра-

2пга ' 2пг01§(а + ф) где Тх1 — интенсивность осевой силы; £)51 — интенсивность радиальной силы; га диус образующей оболочечного элемента.

Статическая сила указанная в (2), в зависимости от рассматриваемого УС, может являться: 1) статической силой действующая в клапанном УС со стороны золотника на седло в момент посадки (рис. 2, а); 2) статическим усилием во фланцевом УС (рис. 2, б).

Следует отметить, что в клапанном УС для обеспечения прочности тонкостенного элемента, определяющим параметром является максимальная динамическая ударная нагрузка указанная в (1), обусловленная кинетической энергией подвижных частей и приведенной жесткостью клапана. Поэтому, при прочностном расчете тонкостенного элемента клапанного УС учитывалась именно Рлы.

В общем виде дифференциальные уравнения деформаций пластинчатого и оболочечного элементов могут быть записаны в виде выражений (3) и (5) соответственно:

а)

»/А

[а ___--Ч X

— К оЛЧ -

к, т

К т ( •V

! I гп

1'............. "г V.......................

<1г1

р Iх —р "р

1 е/9п ■н---

г с1г„

-^т=тг> О)

р ' р р р

где <2р - перерезывающая сила в пластинчатом элементе; £> — изги-

— Х1 бная жесткость пластинчатого элемента; 9р - угол поворота пластинчатого элемента; г — текущий радиус, га<гр<Яр.

Решение (3) ищем в виде:

1

(4)

где С,,С2 - постоянные интегрирования; г и г — вспомогательные переменные.

(¡лм>

- + = + (5)

Рис. 2. Расчетные схемы оболочечно-пластинчатого седла: а) — клапанного УС; б) — фланцевого УС

А4 ' ' ' г0Б0 £>0 где рр — давление рабочей среды; £>0 — изгибная жесткость оболочечного элемента;

Р - параметр оболочечного элемента, р = д/з(1 - р2)/(/-02Л2); н> - радиальное смещение оболочечного элемента; ц - коэффициент Пуассона; х - текущая координата, 0£х<1.

Решение (5) ищем в виде:

1=0

(7)

где ^ - постоянные интегрирования; IV * - частное решение, \\>* = рр — 'К, - функции А.Н. Крылова:

К0(х) = созЬф;с)со5(р.г); К,(х) = ^-[созКРх^тфх) + 5тЬ(Р*)соз(р*)}

К2(х) = -зтЬфдОвтфх); К3(х) = -[созЬ(Рх)5т(Рх)-зтН(Рх)соз(Рх)1 2 4

Граничное условие для пластинчатого элемента:

1) на наружном краю пластинчатого элемента, т.е. при гр = Я : = 0.

Граничные условия для оболочечного элемента:

1) на верхнем торце оболочечного элемента IV "(0) = 0 (Л/(0) = 0), откуда А2= 0;

2) на верхнем торце оболочечного элемента и>"'(0 ) = ()/О0, откуда

На контуре разделения пластинчатого и оболочечного элементов назначаем следующие условия совместности деформаций:

М!0(1) = М,р(г0); &„(/) = ар(г0); п>(/) = Лгр(г0); 910(/) = Э1р(г0), (8)

где - моменты, силы, прогибы и углы поворота в ме-

сте сопряжения пластинчатого и оболочечного элементов соответственно.

В результате раскрытия граничных условий оболочечного и пластинчатого элементов, и условий совместности деформаций (8), задача нахождения постоянных интегрирования сводится к решению системы из трех уравнений (9) - для клапанного УС и четырех (10) - для фланцевого УС:

Овр — 4А0К2 (р/) — 4А1К3 (р/) — —7 К1 (Р')

А>Р *ё(а + ф)

2Бр * "20р

А^т+А.к.т-

-Г""2-*з(Р0~

00Р31Е(а + Ф) Е\

(9)

х Оо^[-4А0К,т-ААхК2ф1)--—Л--

£)0Р31ё(а + ф)

^ К . Т;,Гд г„

+ = РЬ4 А0К3 (р/) + А,К0 (р/) -

ЕИа

к0ть

Т.,

г0 Ир

В0р 31ё(а + <р)

к2(р/)].

ЯР'

- 4А0К2№)-4А,К3 ф/) + -^К, (р/)

ЯР

= <^(1 + ^-^(1-^) +

1-

1-ц

16 2

1 + 1п-^(1 + ц)

ЯР'

'о

(*р-Го)

ЕК

(10)

(1 - Ц) Д,р3[-4 АйКх (Р0 - 4 Л, К2 (РО + К0ф1)1;

го 2Вр Кр ЯР

Кр 16Я

V

После определения постоянных интегрирования может быть вычислен прогиб пластинчатого элемента для клапанного и фланцевого УС из выражений (11) и (12) соответственно:

г.

к р °> АВр Кр'

2

64£>, 16йр

16£>

Ррг02г2р 1п{гр /ги ) Т,,г0г2р [21п(гр /Л^-1)]

(П)

(12)

8.0 „

8£)„

Радиальная жесткость оболочечного элемента с2 и осевая жесткость пластин-

чатого элемента с3 определяются из выражении:

с, =-

и>(0) А0 + IV

С3 =

2Т„пг0

(13)

На рис. 3 показаны жесткостные модели оболочечно-пластинчатого седла для клапанного и фланцевого УС.

Приведенная жесткость для клапанного и фланцевого УС может быть определена из выражений (14) и (15) соответственно:

_ [с1+с21§а^(а + ф)]с3

Спр.ф

с,+с2 tgа • + ф) + с3 с21Ва" + ф)с3

¿•^а-1§(а + ф) + с3

(15)

где с, - жесткость привода.

/V, ///,'/,-// б)

Рис. 3. Жесткостная модель оболочечно-пластинчатого седла а) — клапанного УС; б) - фланцевого УС

//

Выше было указано, что определяющим параметром для обеспечения прочности тонкостенного оболочечно-пластинчатого седла клапанного УС является динамическая ударная нагрузка Раы.

С учетом вышеизложенного для тонкостенного оболочечно-пластинчатого седла клапанного УС динамическая ударная нагрузка определяется из выражения:

[с, +с2 tga ■ tg(g + ф)]с3 с, + с2 tga ■ tg(a + ф) + с3 '

с последующим разложением Fiin на составляющие:

Tdm ~

> Qdin -

(16)

(17)

2 nr0 tg(a + ф) и выполнением прочностного расчета.

Определение эквивалентных напряжений производилось по четвертой гипотезе прочности (гипотезе формоизменения), на наружных и внутренних поверхностях тонкостенного оболочечно-пластинчатого седла.

Приведенная выше аналитическая методика статического, динамического, прочностного и жесткостного расчетов позволяет поставить следующие задачи определения рациональных геометрических размеров тонкостенного оболочечно-пластинчатого седла:

1. Проектный расчет динамически нагруженного седла клапана (учитывается

Еку.

Целевая функция: с (А„,А )-»min.

Ограничения: аэгаопвх(А0,Ар,д;)<(та(1п1; a3rapmx(A0,Ap,^)<aadm.

2. Проверочный расчет статически нагруженного седла клапана с учетом действия давления рабочей среды:

Ограничения: o^^h^h^^a^; аж„ргтх(Ь0,Ир,гр)<аг11т.

3. Проектный расчет седла фланцевого соединения:

Целевая функция: cnp(h0,hp) —> min.

Ограничения: o3Wamx(A0,A/,,j:)^alldlI1; o3rapraK(A0,Ap,r/,)<oadm.

Решение поставленных задач расчета рациональных геометрических размеров седла с помощью РТС MathCAD рассматривается в главе 3.

Третья глава диссертации посвящена расчету рациональных геометрических размеров тонкостенных оболочечно-пластинчатых седел клапанного и фланцевого УС в РТС МаАСАБ 14.

Решение задач, поставленных в главе 2, приводится в виде алгоритма, представленного на рис. 4-6.

Алгоритм разбит на три основные части. Последовательность определения параметров в первой (рис. 4) и третьей частях (рис. 6) алгоритма для клапанного и фланцевого УС одинаковые. В первой части алгоритма (рис. 4) задаются исходные данные, определяются функции А.Н. Крылова и др. параметры. Давление рабочей среды, в случае расчета фланцевого УС или при проверочном расчете клапанного УС, задается в исходных данных и учитывается в уравнениях, согласно аналитической методике приведенной в главе 2. Первая часть алгоритма заканчивается определением жесткостей для пластинчатого и оболочечного элементов.

Рис. 5. Алгоритм определения прочностных параметров

Во второй части алгоритма (рис. 5) определяются: динамическая нагрузка /\й„(/г0, Ир), и внешние динамические параметры Та,„(И0, кр), (¿¿¡„(.К- Ьр). Жесткостные параметры и параметры напряженно-деформированного состояния (НДС) переопре-

деляются. Вторая часть алгоритма заканчивается определением эквивалентных напряжений для пластинчатого и оболочечного элементов. В случае расчета фланцевого УС, где отсутствует динамическая нагрузка Ра■„, после первой части алгоритма сразу определяются эквивалентные напряжения для пластинчатого и оболочечного элементов. В этом случае переопределение жесткостных параметров и параметров НДС не требуется.

Рис. 6. Алгоритм расчета рациональных геометрических размеров седла

В третьей части алгоритма (рис. 6) проводится расчет рациональных геометрических размеров тонкостенного оболочечно-пластинчатого седла путем решения поставленных задач оптимизации для клапанного и фланцевого УС, описанных в главе 2.

В блоках 13-15 (рис. 6) задаются исходные параметры для подпрограмм (блоки 14-16). Эквивалентные напряжения для пластинчатого и оболочечного элементов задаются как функции от радиуса г и координаты х соответственно. Это было сделано для того, чтобы подпрограммы в соответствии с заданным шагом производили поиск максимальных напряжений и соответствующих им текущих координаты х и радиуса гр.

Полученные результаты расчета толщин ha, hp после вычислительного блока Given — minimize проходят проверку по допускаемым напряжениям (блок 19). В случае невыполнения этих условий, значения радиуса rmwip и координаты хтахо снова анализируются подпрограммами и передаются в вычислительный блок Given — minimize, где производиться повторный расчет.

В качестве примера рассмотрим тонкостенное оболочечно-пластинчатое седло клапана, имеющее следующие параметры: га= 19 мм; Яр = 42,5 мм; Е = 9104 МПа;

ц= 0,35; а= 15°; коэффициент трения в стыке / = 0,1; р/ = 3; Иа= 1 мм и кр= 1 мм (взятые начальные приближения); = 450 Н; Ек =100 Н мм; принятое допускаемое напряжение для материала Бр05Ц5С5 вас1т = 260 МПа; Еф = 0.

Полученные графики, представлены на рис. 7-14. Начальные приближения (рассчитанные): гтахр = 19; хтахо = 10,173. Рациональные геометрические размеры (толщины): Иа =0,936 мм; Ир =1,719 мм.

•К-*)

2.035 4.069 б!54 8.159 ¡0.:

8.4 33.1 37.8 42.5

Рис. 7. Радиальное смещение в оболо-

чечном элементе

0.01 г

Рис. 8. Осевое перемещение в пластинчатом элементе

'р('р)

.035 4.069 6.104 8.139 10.173

28.4 33.1 37.8 42.5

Рис. 9. Угол поворота в обол очечном элементе

Рис. 10. Угол поворота в пластинчатом элементе

М(х)

/

2.035 4.069 6.104 8.139 10.173

19 23.7 28.4 33.1 37.8 42.5

Рис. 11. Изгибающий момент в оболо-чечном элементе

Рис. 12. Изгибающий момент в пластинчатом элементе

280 248.571 Ч* 217.143 ^ 185.714 I 154.286 р | 122.85? 91 .<129 60

254.286 228.57 202.657

%

^ 177.143 | 151.429 125.714

19 22.357 25.714 29.071 ¿2.429 35.786 39.143 42.5

100

1.406 2.811 4.217 5.623 7.028 8.434 9.84

Рис. 13. Эквивалентные напряжения в пластинчатом элементе

Рис. 14. Эквивалентные напряжения в оболочечном элементе

После выполнения расчета и получения результатов рациональных толщин для седла, необходимо провести проверку начальных приближений, т.к. возможно невыполнение условий по допускаемым напряжениям. Это происходит потому, что вычислительный блок Given (в данном расчете Given-minimize), ограничен начальными приближениями и выполняет заданные ограничения по допускаемым напряжениям только в них. На рис. 13 показано, что значение эквивалентных напряжений превы-

шает допускаемое c>ultm = 260 МПа, при

= 20,3 эквивалентные напряжения

^экв.р.тах

(И,„ Ир, 20,3) = 264,3 МПа. В результате проверки начальных приближений и повторного расчета были уточнены рациональные геометрические размеры (толщины): А0 = 0,945 мм; к = 1,743 мм. Графики эквивалентных напряжений в пластинчатом и оболочечном элементах представлены на рис. 15. Из графиков видно, что условия по допускаемым напряжениям выполняется.

280 254.286 228.571 202.85? | 177.143

| 151.429 125.714 100

0 1.413 2.826 4.239 5.653 7.066 8.479 9.892

19 22.357 2 5 714 29 0т1 32 429 ¡<46 39 143 42 5

а) б)

Рис. 15. График эквивалентных напряжений: а) - в оболочке; б) - в пластине

Использование автоматизированных систем расчета позволяет значительно сократить время решения задачи. Встроенные в систему функции программирования дают возможность создавать несложные программные модули, необходимые для многократных вычислений, например, для поиска координаты хтахо и радиуса гтахр, использованных при дальнейших расчетах в качестве начальных приближений для вычислительного блока ОК'еп-ппшгшге.

п

Л

ш

ЩгГГ

7] рГ~

\А

/ ! ........1 m

ш •'

/ / /

ч/| ЬА V

И

Рис. 16. Клиновая задвижка заявка № 20111502212,2011 г.

Lr i i.LU.U i. ,11.1 Li lJ.i И

■■■tfcfe

.......4 ТТТТТГНТПп

22СГП :iyz

„_ л

—Г~ :

>ППИ]

Рис.17. Клапан Заявка №2012132174, 2011 г.

В качестве перспективных конструкций предлагаются УС представленные на рис. 16-17.

На предлагаемые конструкции клиновой задвижки и клапана с тонкостенными элементами поданы заявки на изобретение.

Четвертая глава диссертации посвящена второму направлению совершенствования УС с использованием тонкостенных элементов — снижению динамической ударной нагрузки за счет разгрузки золотника клапана от давления рабочей среды. Рассматривается обеспечение герметичности вторичных уплотнений (ВУ) в разгруженных конструкциях, и предлагаются перспективные УС.

Разгрузка золотника клапана от давления рабочей среды может быть как полной, так и частичной. Степень разгруженности золотника зависит от конструкции клапана и типа разгружающего элемента.

Использование разгружающего элемента вносит в конструкцию дополнительные стыковые поверхности (вторичные) элементов УС, которые также необходимо уплотнять.

Проведя обзор и анализ конструктивных решений, разгруженных УС, предлагаются перспективные конструкции клапанов (рис. 18). На рис. 18, б герметичность ВУ, выполненного в виде эластичного элемента заполненного несжимаемой средой, достигается за счет использования упорных элементов, выполненных в виде тонкостенных элементов.

а) - без упорных элементов, заявка № 2012150424, 2012 г.; б) - с упорными элементами, подана заявка; 1 - упоры; 2 - эластичный элемент; 3 - среда

Сущность использования упорных элементов в виде тонкостенных оболочек поясняется рис. 19.

Под действием давления рабочей среды, износа деталей, погрешностей при монтаже образуется зазор между сопрягаемыми поверхностями (рис. 19, а) в результате которого уплотнение повреждается и УС теряет герметичность.

Существующие упорные элементы (рис. 19, б, в), выполняемые из полимерных материалов, не обеспечивают решение проблемы по причинам приведенным выше.

а) б) в) г) д)

Рис. 19. Схемы обеспечения герметичности вторичных уплотнений

В качестве перспективных упорных элементов предлагается использовать тонкостенные металлические оболочечные элементы, обладающие положительными свойствами как металлических (широкий диапазон эксплуатации), так и полимерных уплотнений (малые усилия герметизации, большой ресурс).

На рис. 20 представлена схема испытываемого ВУ, а на рис. 21 экспериментальная установка МИ40-КУ.

Целью эксперимента являлось определение нагрузки, которую выдержит ВУ до выдавливания в зазор между деталями. В качестве ВУ был взят резиновый шарик 3 заполненный жидкостью 4 (водой) и расположенный между двух цилиндров 1 в корпусе 2. Цилиндры 1 выполнены без фасок и скруглений, что снизило вероятность выдавливания резинового шарика 3 в зазор между деталями. Нагружение резинового шарика производилось со скоростью 2 мм/мин до потери герметичности УС.

В табл. 1 приводятся геометрически параметры испытываемого УС, а в табл. 2 результаты эксперимента.

с 1

1*4.5'

- фиска

"/П

Рис. 20. Схема ВУ 1 — цилиндры; 2 - корпус; 3 — эластичный элемент; 4 — жидкость; 5 — опорная поверхность

Рис. 21. Экспериментальная установка МИ40-КУ

Таблица 1

Геометрические параметры корпуса и цилиндров

Высота цилиндра /г, мм Высота корпуса Я, мм Внутренний диаметр корпуса с1„ мм Наружный диаметр корпуса с!н, мм Диаметр цилиндра мм Толщина стенки уплотнения, мм

40 70 30.1 40 30 0.5

Результаты нагружения тонкостенного эластичного элемента

Нагрузка, которую выдержал экспериментальный образец Без упорного элемента

и, н 12400

Таблица 2

БИУ

Т\

МИГ 1

Полученные экспериментальные значения нагрузки, которую выдержал резиновый шарик, свидетельствуют о рациональности использования и дальнейшего изучения такого типа уплотнения. Предлагаемые упорные элементы позволят компенсировать зазор между деталями, отказаться от притирки поверхностей и увеличить ресурс работы такого УС.

Пятая глава диссертации посвящена экспериментальному определению деформационных параметров тонкостенного оболочечно-пластинчатого седла, анализу и сравнению полученных данных с результатами аналитического расчета и конечно-элементного моделирования.

Целью экспериментального исследования являлось определение осевого перемещения и радиального смещения тонкостенного оболочечно-пластинчатого седла.

МИГ 1

Рис. 22. Экспериментальная установка 1 - крышка привода; 2 - корпус; 3 - золотник; 4 — блок измерения усилий (БИУ); 5 - датчик усилия (ДУ); 6 — штурвал; 7 — индикатор часовой (ИЧ-10); 8 - кронштейн; 9 - осевой рычаг; 10 - опорная крышка; 11 - седло; 12 - фиксирующее кольцо; 13 — индикатор часовой МИГ 1 (показан схематично)

Для проведения экспериментальных исследований была разработана установка (рис. 22) на базе лабораторного комплекса по сопротивлению материалов СМ-1. На экспериментальной установке, без давления рабочей среды, были статически испытаны три тонкостенных оболочечно-пластинчатых седла с высотой оболочки 20 (№ 1), 15 (№ 2) и 10 (№ 3) мм.

Нагружение оболочечно-пластинчатого седла 11 золотником 3 осуществлялось с помощью поворота штурвала 6. Установленный между золотником и штурвалом датчик усилия 5, позволял фиксировать значения прикладываемой нагрузки за счет БИУ 4. Установленные индикаторы часового типа 7 снимали показания осевых перемещений пластинчатого элемента по средствам рычаг 9. Головки индикаторов 13 были непосредственно подведены к торцу оболочечного элемента и снимали его радиальные перемещения.

В табл. 3 представлены параметры испытываемого оболочечно-пластинчатого седла. В качестве материала для седла была взята бронза марки Бр05Ц5С5 обладающая высокими механическими свойствами. Золотник клапана был выполнен из стали 45, термообработан и обезжирен перед проведением эксперимента.

Таблица 3

Параметры испытываемого экспериментального образца

№ седла Высота оболочки Н, мм Внутренний диаметр оболочки с1в„, мм Наружный диаметр оболочки <1„, мм Наружный диаметр пластины О, мм Толщина пластины/ оболочки /г, мм Кол-во образцов, шт Материал

1 20 38 40 85 1/1 6 Бр05Ц5С5

На рис. 23-24 представлены снимки затвора экспериментальной установки и седел, выполненных из бронзы марки Бр05Ц5С5.

Рис. 23. Затвор

Рис. 24. Экспериментальные образцы

Результаты экспериментальных исследований представлены в виде графиков на рис. 25-26.

ПС»1) 350 РОД) 300

350

£(*2> зоо

• • • Экспгркме кг Нагу>-*.еиме

о с с Э»4.п*р«темт Рагрулеик?

0.031 0.062 0.093 0.124 0.155 0.186 0.217 0.24Е 0.279 0.31

Ч.й.мА'.Ш®

^лпрокгикацн» нлгр\~женш

• • • Эксперимент Нагр^оше

о □ с Эксперимент. Ра1гр;-жекпе

2.Ы0~34.2*10 56.3ч10 "8.4x10"3 0.0105 0.0126 0.014? 0.0368 0.0189 0.021

Рис. 25. График зависимости осевого прогиба пластины от прикладываемой нагрузки

Рис. 26. График зависимости радиальных смещений торца оболочки от прикладываемой нагрузки

Наряду с экспериментальными исследованиями, было проведено конечно-элементное моделирование в АРМ \VinMachine и МБС.уЖХУ (рис. 27-28), целью которого являлась проверка полученных аналитических результатов расчета в МаШСАО 14 и экспериментальных данных. Модели были построены в системах АРМ \VinMachine и М8С.уМ4\¥, предоставляемые разными разработчиками, что позволило проанализировать и сравнить результаты их расчета между собой. Расхождение результатов моделирования в АРМ \УшМасЫпе и МБС.уЖХУ составило менее 1 %, что говорит о правильном построении моделей. Использование указанных систем также позволило определить допускаемую нагрузку на тонкостенное оболочечно-пластинчатое седло перед проведением эксперимента.

а) б)

Рис. 27. Карты перемещений в АРМ ШтМасЫпе: а) - осевых; б) - радиальных

а) б)

Рис. 28. Карты перемещений в МБС.уЖ\¥: а) - осевых; б) - радиальных

Таблица 4

Сводная таблица результатов расчета, моделирования _и проведенного эксперимента_

№, п/п Где были получены результаты Осевые перемещения пластинчатого элемента Радиальные смещения торца оболо-чечного элемента

мм ™рад, мм

1 Результаты аналитических расчетов в МаЛСАЭ 14 0,37 0,025

2 Экспериментальные данные седла № 1 0,30 0,020

3 Результаты моделирования: АРМ \VinMachine МБС.уШШ 0,357 0,361 0,0240 0,0251

В табл. 4 представлены данные расчетов и исследований, проведенных для тонкостенного оболочечно-иластинчатого седла. Значения осевых перемещений и радиальных смещений тонкостенного оболочечно-пластинчатого седла, полученные аналитическим расчетом и конечно-элементным моделированием, показали достаточно точное совпадение. Максимальная погрешность экспериментальных результатов по сравнению с аналитическими и моделированием составляет для woce - 19 %, а ДЛЯ Wpad - 20 %.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Анализ конструктивных решений уплотнительных соединений с тонкостенными элементами показал, важнейшим направлением совершенствования конструкций клапанных и фланцевых уплотнительных соединений является снижение приведенной жесткости тонкостенного элемента.

2. В связи с эксплуатационным изменением параметров рабочей среды целесообразно совершенствование конструкций клапанов реализовать путем использования разгруженных от действия давления рабочей среды золотников.

3. С целью снижения динамического нагружения тонкостенного элемента в уплотнительных соединениях и минимизацией герметизирующего усилия, предложено выполнять тонкостенный элемент пониженной жесткости в виде оболочечно-пластинчатого седла как наиболее технологичного.

4. Разработана инженерная методика выбора рациональных геометрических размеров оболочечно-пластинчатого седла клапана, работающего в условиях ударного нагружения при неопределенной максимальной динамической нагрузке, обеспечивающая непревышение допускаемых напряжений в тонкостенном оболочечно-пластинчатом седле.

5. Разработана инженерная методика для проверки напряженно-деформированного состояния оболочечно-пластинчатого седла клапана при статическом нагружении усилием герметизации и давлением рабочей среды.

6. Разработана инженерная методика выбора рациональных геометрических размеров оболочечно-пластинчатого седла фланцевого соединения, обеспечивающая минимизацию приведенной жесткости (минимизация герметизирующего усилия) при условии обеспечения прочности оболочечно-пластинчатого седла.

7. Результаты аналитических расчетов деформационных параметров оболочечно-пластинчатого элемента, их экспериментальная проверка на специально разработанной установке и сопоставление с результатами моделирования в среде АРМ Win-Machine и MSC.vN4W показали совпадение результатов с точностью, приемлемой для инженерных расчетов, что подтверждает правильное построение расчетной модели оболочечно-пластинчатого седла.

8. Использование оболочечно-пластинчатого седла вместо оболочечного в клапанных уплотнительных соединениях позволяет снизить приведенную жесткость уплотнительного соединения и ведет к значительному снижению динамической нагрузки, что позволяет выполнить седло более тонкостенным, что в свою очередь ведет к снижению требуемого усилия герметизации и снижению массо-габаритных характеристик привода, прогнозировать рост ресурса клапана.

9. Предложенная методика выбора рациональных геометрических размеров оболочечно-пластинчатого фланцевого уплотнительного соединения позволяет минимизировать герметизирующее усилие.

10. Предложены перспективные конструкции затворов клапанов, разгруженных от давления рабочей среды, что позволяет отказаться от ограничителей деформаций тонкостенных элементов, тем самым повысить ресурс работы клапана, расширить допускаемый диапазон изменения давления рабочей среды.

11. Предложены перспективные конструкции УС с тонкостенными оболочечно-пластинчатыми седлами пониженной жесткости, в том числе для задвижек.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

- в изданиях из перечня ВАК:

1. Долотов, A.M. Обзор способов разгрузки золотника клапана от давления герметизируемой среды / A.M. Долотов, Ю.И. Белоголов // Системы. Методы. Технологии. - Братск: ГОУ ВПО «БрГУ», 2010. - № 3 (7). - С. 30- 36.

2. Долотов, A.M. Напряженно-деформированное состояние тонкостенного клапанного седла пониженной жесткости / A.M. Долотов, Ю.И. Белоголов // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. — Иркутск: ФГБОУ ВПО «Ир-ГУПС», 2011. - № 4 (32). - С. 62-65.

3. Долотов, A.M. Определение жесткостных характеристик оболочечно-пластинчатого седла клапана / A.M. Долотов, Ю.И. Белоголов // Трубопроводный транспорт: теория и практика. - М.: ОАО ВНИИСТ, 2013 - № 3 (37). - С. 32-37.

4. Долотов, A.M. Жесткостная модель оболочечно-пластинчатого седла / A.M. Долотов, Ю.И. Белоголов // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование - Иркутск: ФГБОУ ВПО «ИрГУПС», 2013. -№ 2 (38). - С. 107 - 110.

5. Долотов, A.M. Определение перемещений в оболочечно-пластинчатом седле клапана / A.M. Долотов, Ю.И. Белоголов // Системы. Методы. Технологии. — Братск: ФГБОУ ВПО «БрГУ», 2013. - № 2 (18). - С. 22- 28.

- в других изданиях:

6. Белоголов, Ю.И. Компенсация усилий, действующих на затвор со стороны герметизируемой среды // Проблемы транспорта Восточной Сибири: материалы Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов электромеханического факультета ИрГУПС. Часть 2. — Иркутск: ИрГУПС, 2012.-192 с.

7. Белоголов, Ю.И. Совершенствование конструкций уплотнительных соединений с тонкостенными элементами (упругой кромкой) // Труды Братского государственного университета. Серия: Естественные и инженерные науки. — Братск, 2013. Т.1.С. 194-196.

8. Долотов, A.M. Снижение динамических нагрузок при ударном нагружении оболочечного седла клапана / A.M. Долотов, Ю.И. Белоголов // Решетневские чтения. Материалы XV Международной научной конференции, посвященной памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнева (10-12 ноября 2011, г. Красноярск): в 2 ч. / под. Общ. Ред. Ю. Ю. Логинова; Сиб. Гос. Аэрокосмич. Ун-т. - Красноярск, 2011. - Ч. 1. - 430 с.

9. Долотов, A.M. Уплотнительные соединения с использованием тонкостенных элементов / A.M. Долотов, В.Е. Гозбенко, Ю.И. Белоголов // Иркутский государ-

ственный университет путей сообщения — Иркутск, 2011. — с. 72 е.: ил. 78. Библиогр. 87 назв. - Рус. - Деп. В ВИНИТИ 22.11. 2011 № 508-В2011.

10. Долотов, A.M. Снижение давления среды на золотник затвора клапан / A.M. Долотов, Ю.И. Белоголов // Авиамашиностроение и транспорт сибири: сб. статей II Всероссийской научно-практической конференции, приуроченной ко Дню космонавтики (Иркутск, 11-13 апреля, 2012 г.). - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2012.-312 с.

11. Долотов, A.M. Оптимизация конструкции седла клапана / A.M. Долотов, Ю.И. Белоголов // Проблемы транспорта Восточной Сибири: Всероссийской материалы научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов электромеханического факультета ИрГУПС. Часть 2. — Иркутск: ИрГУПС, 2012. — 192 с.

12. Долотов, A.M. Оптимизация геометрических параметров тонкостенного седла клапана пониженной жесткости / A.M. Долотов, Ю.И. Белоголов // Проблемы механики современных машин: Материалы V международной конференции. - Улан-Удэ: Изд-во ВСГУТУ, 2012. - Т. 2.-272 е., ил.

13. Долотов, A.M. Совершенствование конструкции клапана с тонкостенным уплотнительным элементом / A.M. Долотов, Ю.И. Белоголов // Третья международная научно-практическая конференция «Безопасность регионов — основа устойчивого развития». - Иркутск: ФГБОУ ВПО «ИрГУПС» (12-15 сентября), 2012.-243 с.

14. Долотов, A.M. Пути совершенствования клапанных уплотнительных соединений с оболочечными седлами / A.M. Долотов, Ю.И. Белоголов // Енерго-та ресур-созберпаюч1 технолопУ при експлуатацп машин та устаткування: Матер1али 4-o'i м1жвуз1вськоТ науково-техшчно! конференцп викладач1в, молодих вчених та студенев. - м. Донецьк: 2012. - С. 87 - 88.

15. Долотов, A.M. Математическая модель оболочечного седла пониженной жесткости / A.M. Долотов, Ю.И. Белоголов // Решетневские чтения. Материалы XVI Международной научной конференции, посвященной памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнева (7-9 ноября 2012, г. Красноярск): в 2 ч. / под. Общ. Ред. Ю. Ю. Логинова; Сиб. Гос. Аэрокосмич. Ун-т. -Красноярск, 2012. -Ч. 1.-458 с.

Белоголов Юрий Игоревич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ УПЛОТНИТЕЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ С ТОНКОСТЕННЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ (УПРУГОЙ КРОМКОЙ)

Специальность: 05.02.02- Машиноведение, системы приводов и детали машин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Формат бумаги 60x84 1/16.

Бумага офсетная.

Тираж 100.

Отпечатано в типографии «Пятёрочка» г.Братск

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ

СООБЩЕНИЯ»

На правах рукописи

04201363413

БЕЛОГОЛОВ ЮРИЙ ИГОРЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ УПЛОТНИТЕЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ С ТОНКОСТЕННЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ (УПРУГОЙ КРОМКОЙ)

Специальность 05.02.02 - Машиноведение, системы приводов и детали машин

Диссертации на соискание ученой степени кандидата

технических наук

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор

Долотов A.M.

Иркутск - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................5

ГЛАВА 1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ УПЛОТНИТЕЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ С ТОНКОСТЕННЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ.......................................................................... 11

1.1. Основные положения, предпосылки и пути совершенствования уплотнительных соединений с тонкостенными элементами.....................12

1.2. Патентный обзор конструкций уплотнительных соединений с тонкостенными элементами...............................................................18

1.3. Обзор конструкций клапанов, разгруженных от давления герметизируемой среды...................................................................26

1.4. Постановка цели и задач исследования..........................................32

ГЛАВА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЖЕСТКОСТНЫХ И ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТОНКОСТЕННОГО ОБОЛОЧЕЧНО-ПЛАСТИ-НЧАТОГО СЕДЛА......................................................................34

2.1. Состояние вопроса расчета уплотнительных соединений с оболочечными и пластинчатыми элементами...........................................................35

2.2. Определение жесткостных характеристик тонкостенного оболочечно-пластинчатого седла.......................................................................39

2.3. Прочностной расчет тонкостенного^ оболочечно-пластинчатого седла, нагруженного давлением герметизируемой среды.................................52

2.4. Учет отклонений формы оболочечного элемента..............................53

ГЛАВА 3. ОПТИМИЗАЦИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

ТОНКОСТЕННОГО ОБОЛОЧЕЧНО-ПЛАСТИНЧАТОГО СЕДЛА.....61

3.1. Алгоритм оптимизации геометрических размеров тонкостенного оболочечно-пластинчатого седла клапанного уплотнительного соединения при ударном нагружении (без учета давления рабочей среды)..............................................................................................................62

3.2. Алгоритм оптимизации геометрических размеров тонкостенного оболочечно-пластинчатого седла фланцевого и статически нагруженного клапанного уплотнительных соединений с учетом давления рабочей среды..........................................................................................69

3.3. Перспективные конструкции уплотнительных соединений с

тонкостенными элементами.............................................................72

ГЛАВА 4. КОМПЕНСАЦИЯ УСИЛИЙ, ДЕЙСТВУЮЩИХ НА ЗАТВОР СО СТОРОНЫ РАБОЧЕЙ СРЕДЫ.................................................76

4.1. Разгрузка затворов уплотнительных соединений с тонкостенными элементами...................................................................................77

4.2. Обеспечение герметичности вторичных уплотнений в разгруженных уплотнительных соединениях...........................................................86

4.3. Экспериментальные исследования по обеспечению герметичности вторичных уплотнений....................................................................89

4.4. Перспективные конструкции разгруженных затворов от давления

рабочей среды..............................................................................95

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ТОНКОСТЕННОГО ОБОЛОЧЕЧНО-ПЛАСТИНЧАТОГО СЕДЛА........................................................101

5.1. Описание экспериментальной установки......................................102

5.2. Исследование деформационных параметров тонкостенного оболочечно-пластинчатого седла.....................................................................110

5.3. Экспериментальные данные и результаты расчета в MathCad тонкостенного оболочечно-пластинчатого седла...................................114

5.4. Использование конечно-элементного моделирования. Обсуждение результатов расчета тонкостенного оболочечно-пластинчатого элемента затвора в MSC.visual Nastran for Windows и АРМ WinMachine................118

5.5. Анализ полученных результатов................................................127

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................131

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК............................................133

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Результаты экспериментальных исследований..........153

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Программа расчета рациональных геометрических размеров тонкостенного оболочечно-пластинчатого седла в МаШСАО 14. .158

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время для управления потоком рабочей среды и обеспечения требуемой герметичности подвижных и неподвижных соединений деталей (узлов) арматуры используются различные конструкции клапанов, задвижек, кранов, фланцев, штуцеров и др. Используемые в них сопрягаемые элементы -уплотнительные соединения (УС), должны обеспечивать требуемую герметичность в широком диапазоне давлений, температур, при различном химическом составе рабочих сред и др. условиях эксплуатации.

В настоящее время распространение в качестве УС получили цельнометаллические УС (т.н. УС «металл-металл»), где подвижный элемент УС - золотник - выполняется коническим (реже - сферическим или более сложной формы), а неподвижный элемент - седло - тонкостенным в виде оболочки вращения (иногда в литературе именуемой упругой кромкой). Чаще всего используются цилиндрические оболочки, как наиболее простые в изготовлении.

Выполнение седла тонкостенным, позволяет снизить усилие герметизации в цельнометаллическом УС практически до уровня металлополимерного УС, обеспечить равномерность распределения герметизирующего усилия по периметру, снизить требования к точности монтажа и сборки.

Использование тонкостенных элементов особенно целесообразно, когда применение металлополимерных УС осложнено по условиям эксплуатации (составы рабочих сред, температурные режимы), использование притертых плоских или конических УС нерационально из-за термоциклирования, так как при этом теряются достигнутые притиркой геометрические параметры уплотнительных поверхностей.

Однако, при всех положительных свойствах тонкостенных элементов, следует отметить их чувствительность к силовому нагружению, особенно в

клапанных УС, где перекрытие потока рабочей среды сопровождается динамической (ударной) нагрузкой, которая может более чем на порядок превышать статическую. При этом область рациональных геометрических размеров для тонкостенных элементов достаточно узкая. Выход из нее в одну сторону ведет к пластическому деформированию тонкостенного элемента и его возможному разрушению, а в другую сторону - к потере тонкостенным элементом его положительных свойств, а именно малых усилий герметизации и большого ресурса работы УС.

Поэтому одним из направлений совершенствования конструкций УС является снижение толщины (жесткости) тонкостенного элемента при безусловном сохранении им своих прочностных свойств, т. е. выбор таких размеров тонкостенного элемента, при которых минимизация жесткости тонкостенного элемента сочетается с обеспечением его прочности. Такие геометрические размеры будем называть рациональными.

Особо отметим, что при назначении рациональных размеров оболочечного седла одновременно обеспечивается минимизация герметизирующего усилия.

Наряду с указанным направлением совершенствования рассматриваемых УС, для клапанов важным также является снижение динамической нагрузки. Очень часто это снижение может быть достигнуто путем полной или частичной разгрузки золотника от действия давления рабочей среды. При этом одновременно с задачей снижения динамической нагруженности клапана за счет использования менее мощных приводов, улучшения габаритно-массных характеристик, что особенно важно для авиационной и космической техники, решается задача защиты оболочечного элемента от перегрузки со стороны привода при изменении давления рабочей среды.

Проблема использования тех или иных способов разгрузки золотника от действия давления рабочей среды обычно связано с появлением в клапане т.н.

вторичных уплотнений (ВУ), обеспечению работоспособности которых также может помочь использование тонкостенных элементов.

На основании вышеизложенного можно заключить, что возможными направлениями совершенствования конструкций УС с тонкостенными элементами являются выбор рациональных размеров тонкостенного седла УС, при которых минимизация жесткостных свойств седла обеспечивает минимизацию герметизирующего усилия, а также разгрузка золотника клапана от давления рабочей среды, что позволяет снизить динамические нагрузки при срабатывании клапана, как основных силовых факторов, определяющих ресурсные, массогабаритные и другие эксплуатационные характеристики УС. Отсутствие рекомендаций по выбору рациональных размеров тонкостенного элемента УС, путей управления его жесткостью, снижению динамической нагрузки при срабатывании клапана и разгрузке золотника обуславливает актуальность темы диссертационной работы.

Таким образом, целью работы является: совершенствование уплотнительных соединений с тонкостенными элементами с целью минимизации усилия герметизации и повышения ресурса УС.

Достижение поставленной цели требует решение ряда задач:

1. Анализ современного состояния конструктивных решений УС с тонкостенными элементами, с золотником, разгруженным от давления рабочей среды.

2. Определение направлений совершенствования УС с тонкостенными элементами.

3. Определение рациональных размеров оболочечно-пластинчатого седла, работающего в условиях ударного нагружения.

4. Определение рациональных размеров оболочечно-пластинчатого седла, работающего в условиях статического нагружения (с учетом давления рабочей среды).

5. Разгрузка золотника от действия давления рабочей среды.

6. Теоретико-экспериментальная проверка методики определения рациональных геометрических размеров оболочечно-пластинчатого седла затвора.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту:

1. Разработка методик статического и динамического расчетов тонкостенного оболочечно-пластинчатого седла.

2. Постановка и решение оптимизационной задачи определения размеров тонкостенного оболочечно-пластинчатого седла, работающего в условиях ударного нагружения, без предварительного определения максимальной динамической нагрузки.

3. Постановка и решение оптимизационной задачи определения размеров тонкостенного оболочечно-пластинчатого седла, работающего в условиях статического нагружения с учетом давления рабочей среды.

Обоснованность и достоверность полученных результатов подтверждаются: разработанной методикой определения рациональных геометрических размеров оболочечно-пластинчатого седла, реализованной с помощью универсального математического пакета РТС МаШСАБ, конечно-элементным моделирование с использованием автоматизированных системах расчета АРМ \¥1пМасЫпе и МЗС.у^ДУ, проведенными экспериментальными исследованиями на разработанном универсальном стенде; совпадением результатов конечно-элементного моделирования и аналитических расчетов, и совпадением результатов экспериментальных испытаний и аналитических с точностью, приемлемой для инженерной практики.

Практическая ценность работы и ее реализация:

- создана инженерная методика расчета рациональных геометрических размеров седла фланцевого УС, позволяющая снизить усилие герметизации в стыке;

- создана инженерная методика расчета рациональных геометрических размеров тонкостенного оболочечно-пластинчатого седла клапана,

позволяющая снизить динамические нагрузки в затворе, что позволяет прогнозировать снижение герметизирующего усилия, повышение ресурса клапана, улучшение его массо-габаритных характеристик;

- разработано стендовое оборудование, позволяющее проводить деформационные исследования тонкостенных оболочечно-пластинчатых седел с диаметром условного прохода (ДУ) до 40 мм при усилии со стороны привода до 5 кН;

- разработаны перспективные конструкции седел пониженной жесткости и золотников, разгруженных от давления рабочей среды.

Результаты диссертационной работы использованы в ОАО ИркутскНИИхиммаш (г. Иркутск) при разработке новых УС, а также используются в лекционных курсах при подготовке студентов и аспирантов в ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения» и ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет».

Апробация работы: Основные результаты научных исследований докладывались и обсуждались на научных конференциях: Международной научной конференции, посвященной памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнева «Решетневские чтения» (г. Красноярск, 2011-2012 гг.); Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы транспорта Восточной Сибири» (г. Иркутск, 2012 г.); II Всероссийской научно-практической конференции, приуроченной ко Дню космонавтики «Авиамашиностроение и транспорт Сибири» (г. Иркутск, 2012 г.); Международной конференции «Проблемы механики современных машин» (г. Улан-Удэ, 2012 г.); Третьей международной научно-практическо1 конференции «Безопасность регионов - основа устойчивого развития» (г. Иркутск, 2012 г.); Енерго-та ресурсозбер1гаючш технолоп1 при експлуатацп машин та устаткування (Укра'ша, г. Донецьк, 2012 г.); Всероссийской научно-технической

конференции с международным участием «Механики XXI веку» (г. Братск, 2012 г.).

Публикации: по результатам исследований опубликовано 15 научных работ, включая статьи в журналах и трудах конференций, из них 6 в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ для опубликования результатов диссертационных работ, депонированная рукопись № 508-В2011. Поданы заявки (№ 20111502212, 2011 г.; № 2012132174, 2011 г.; № 2012150424, 2012 г.) на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений и библиографического списка. Общий объем работы 174 страниц, включая 10 таблиц, 88 рисунков, библиографического списка - 179 наименований.

В приложениях приводятся результаты экспериментальных исследований седел № 2 и № 3 (Прил. 1) и программа расчета рациональных геометрических размеров оболочечно-пластинчатого седла в МаШСАО 14 (Прил. 2).

ГЛАВА 1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ УПЛОТ-НИТЕЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ С ТОНКОСТЕННЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

В настоящее время в современной технике трубопроводная арматура получила широкое распространение. Трубопроводная арматура используется для управления потоком жидких, газообразных, газожидкостных, порошкообразных и т.п. рабочих сред.

К трубопроводной арматуре согласно [63], относят: задвижки - тип арматуры, у которой запирающий или регулирующий элемент перемещается перпендикулярно оси потока рабочей среды; клапаны - тип арматуры, у которой запирающий или регулирующий элемент перемещается параллельно оси потока рабочей среды; краны - тип арматуры, у которой запирающий или регулирующий элемент, имеющий форму тела вращения или его части, поворачивается вокруг собственной оси, произвольно расположенной по отношению к направлению потока рабочей среды; дисковые затворы (Нрк. заслонка, поворотный затвор, герметический клапан, гермоклапан) - тип арматуры, у которой запирающий или регулирующий элемент имеет форму диска, поворачивающегося вокруг оси, перпендикулярной или расположенной под углом к направлению потока рабочей среды.

Совершенствование арматуры связано, прежде всего, с разработкой конструкций, герметичность которых достигалась бы при небольших усилиях герметизации при условии, что работоспособность таких конструкций не будет утрачена.

Глава 1 посвящена обзору и анализу конструктивных решений УС с использованием тонкостенных элементов, выбору путей их совершенствования и постановке задач.

1.1. Основные положения, предпосылки и пути совершенствования уплотнительных соединений с тонкостенными элементами

В настоящее время при проектировании, расчете и выборе трубопроводной арматуры используются определенные термины и определения согласно [63]. Приведем основные определения согласно [63]:

затвор - совокупность подвижных (золотник, диск, клин и др.) и неподвижных (седло) элементов арматуры, образующих проходное сечение и соединение, препятствующее протеканию рабочей среды;

золотник - подвижный запирающий элемент затвора клапанов; седло - неподвижный или подвижный элемент затвора, установленный или сформированный в корпусе арматуры;

уплотнение - совокупность сопрягаемых элементов, обеспечивающих необходимую герметичность подвижных или неподвижных соединений деталей (узлов) арматуры. Согласно [108], уплотнение - деталь, устройство, предотвращающие или уменьшающие утечку жидкости, паров или газов.

Так же в [63] указано, что запирающий элемент - подвижная часть затвора, связанная с приводом, позволяющая при взаимодействии с седлом осуществлять управление поток