автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.09, диссертация на тему:Совершенствование манжетных уплотнителей повышенных радиальных зазоров

Введение.5.

Глава 1. Краткий обзор и анализ работ, связанных с исследонаниями уплотнительных элементов манжетного типа . г

1.1 Условия надежной рабозы манжет в соединениях

1.2 Трение на поверхности контакта при уплотнении ♦

1.3 Общие сведения о релаксации в упругоэластичном уплотнителе.

1.4 Свойства резины как материала для уплотнения . . . V

1.5 Постановка задачи исследования и совершенствования уплотнительных манжет.

Глава 2 • Теоретическое исследование узла манжетного уплотнения

2.1 Схема герметизации манжетой у- образного сечения . . 2*2 Исследование деформации манжеш в зазоре при ее ограниченном осевом сжатии.

2.3 Методика расчета силовых параметров узла манжетного уплотнения

213.1 расчет допустимого давления герметизируемой среды.

2.3.2 Расчет удельных контактных давлений манжега

2.4 результаты теоретического исследования напряженно-деформированного состояния манжеты и рекомендации по конструированию манжетных уплотнителей повышенных зазоров

Глава 3. Совершенствование конструкции уплотнительных манжет для перекрытия повышенных радиальных зазоров . *

3.1 Условия работы уплотнительных манжет при герметизации

3.2 Разработка конструкции комбинированных манжет с защитным металлическим поясом.

3*3 Исследование и выбор материала для комбинированных уплотнительных манжет.

3.4 Новая конструкция устройства для уплотнения концевой части трубы при гидравлических испытаниях

Глава 4. Экспериментальные исследования процесса уплотнения манжетами.

4.1 Метод и средства исследования манжет по распределению удельных контактных давлений.

4.2 Исследование расположения защитного пояса

С перемычек ) на манжете в области зазора

4.3 Исследование распределения удельных давлений на контактной поверхности манжет

4.4 Планирование эксперимента и факторный аналив процесса уплотнения

4.5 Результаты испытания манжет на эксплуатационную выносливость

4.6 Исследование механизма разрушения манжет при действии циклических нагрузок

Глава 5. Практическое использование результатов исследования и разработок уплотнительных манжет.

5.1 Изготовление опытной и опытно-промышленной партии уплотнительных манжет

5.2 Разработка проекта отраслевого стандарта на уплот-нительные манжеты.

5.3 Определение экономической эффективности от внедрения в промышленности манжет повышенной эксплуатационной выносливости.

развитию отечественного машиностроения с первых дней Советской власти уделяется постоянное и должное внимание нашей партии и правительства, в последние годы намечен курс на ускорение темпов научно-технического прогресса как решающего условия повышения эффективности и интенсификации общественного производства.

По мнению английского исследователя Д.Денни / 1 / технический прогресс сдерживается исключительно из-за трудностей , связанных с упяотнительными устройствами, их разработкой и внедрением .

Одним из направлений развития химического машиностроения является дальнейшее совершенствование конструкции уплотнитель-ных элементов, способных обеспечить эффективную герметизацию систем с высоким давлением рабочей среды . В этой связи намечено " организовать выпуск . новых видов формовых и неформовых резинотехнических изделий " ( из основных направлений экономического и социального развития СССР на 1981 - 1985 годы и на период до 1990 года ).

Эффективность эксплуатации химического , нефтяного , металлургического и др. технологического оборудования во многом зависит от надежности и долговечности работы уплотнительных элементов, содержащихся в гидравлических или пневматических системах. Широкое распространение находят манжетные кольца V- образного сечения. Например , в соединениях вращательного или возвратно-поступательного движений штоков устанавливают манжеты ГОСТ 380587 - 75 из резинотканевого материала 4 Манжеты применяются в качестве уплотнительных элементов в опрессовочных головках гидравлических прессов типа П- 9041 , при помощи которых испытывают на прочность и плотность цилиндрические корпуса выпарных аппаратов , химических реакторов , а также обсадные и насосно-компрессорные трубы , работающие под давлением герметизируемой среды до 125 МПа .

Для создания давления в системе при перекачивании суспензий и химически агрессивных жидкостей используют поршневые ( мембранного типа ) насосы , у которых герметизацию соединения рабочего плунжера осуществляют упруго-эластичными манжетами , при этом давление в герметизируемой полости достигает 100 МПа .

В связи с возросшими давлениями среды и требованиями надежной герметизации возникла необходимость исследований и разработки специальных уплотнительных манжет .

В данной работе выполнены теоретические и экспериментальные исследования упруго-эластичных манжет как уплотнителей . Для защиты представляется следующее :

1) полученные результаты исследования напряженно-деформированного состояния упругоэластичной манжеты в условиях повышенного радиального зазора при ограниченном осевом сжатии ;

2) основные конструктивные зависимости, учитывающие площадь перекрываемого манжетой радиального зазора и давление герметизируемой среды;

3) результаты разработки и испытания новой конструкции манжеты, имеющей защитный металлический пояс и межлопастные упругие перемычки.

В области уплотнительной техники растет объем исследований, происходит поиск новых материалов , новых конструктивных решений. Большой вклад в развитие теории герметизации внесли работы отечественных и зарубежных ученых, например, Т.М-Башты, Г«М.Барте-нева, г.А.Голубева, Б.М.Горелика, А.Д.Домашнева, Л.А.Кондакова, В.А-Лепетова, В-Селла, и»Лайна, э.Майера и др. результаты их исследований расширили представление о процессе герметизации.

Выводы и рекомендации

1. Применяемые упругоэластичные манжетные кольца , работающие в условиях возвратно-поступательного движения уплотняемой необработанной поверхности при циклических нагрузках герметизируемой среды до 70 МПа и повышенных радиальных зазорах 2 - 5 мм , имеют низкую эксплуатационную выносливость , снижающую производительность оборудования в результате простоев при замене манжет .

2. Проектируя узел уплотнения , необходимо обеспечить минимум деформации тела манжеты в перекрываемом ею зазоре при действии максимальной нагрузки .

В этой связи разработана конструкция комбинированной манжеты , содержащей резиновые уплотняющие лопасти с радиальными перемычками жесткости , утолщенное основание , армированное более прочным и упругим материалом ( тканью ) , и привулканизованный к поверхности в области зазора металлический защитный пояс .

Для уплотнения концевой части трубы разработано устройство , позволяющее в момент герметизации уменьшать величину заэора , обжимая и заключая уплотнительный элемент в замкнутое пространство. Устройство защищено авторским свидетельством № 411347 , кл. & 01 п. 3 / 12 .

3. ^следование зависимости деформирующей нагрузки и линейной деформации тела манжеты в зазоре при ограниченном осевом сжатии устанавливает , что деформация в зазоре соизмерима с величиной отношения действующих на участке внутренних сил к внешним растягивающим силам .

4. Исследования показывают , что контактные давления находятся в тесной зависимости от давления герметизируемой среды , упругих свойств материала манжеты и площади зазора , в который происходит деформация тела . Для расчета удельных давлений контакта манжеты с утолщенным основанием предложены формулы , учитывающие не только размеры уплотняемой поверхности , но и величину радиального зазора .

Установлена зависимость допустимого давления герметизируемой среды от размеров уплотнительной манжеты , прочности на разрыв материала ее основания и площади , перекрываемой защитным поясом , эффективность которого тем значительнее , чем больше величина зазора . Применение пояса в комбинированной манжете позволяет повысить величину давления жидкости на 12 - 15 % .

5. В результате экспериментальных исследовании натурных образцов манжет отмечается , что приращения удельных давлений контакта на единицу нагрузки не одинаковые и зависят как от уровня давления герметизируемой жидкости , так и от конструктивных особенностей манжет ( прежде всего от упругости материала основания , подвергаемого деформации в зазор).

Более интенсивное перераспределение удельных давлений контакта на поверхности цельнорезиновой манжеты наблюдается при увеличении давления жидкости от 0 до 4 - б МПа , а при давлении 18-20 Ша приращения удельных давлений стабилизируются , так как материал при этом в большей степени проявляет пластичные свойства .

По величине контактного давления можно судить о напряженном состоянии и уплотняющей способности манжеты .

6. При снижении уровня давления жидкости полное разуплотнение поверхности у комбинированной манжеты наступает раньше , чем у цельнорезиновой . Разуплотнение сначала происходит на лопасти , а затем на торцовой поверхности. Вто связано с различным объемным содержанием резины и проявлением сил сцепления на контактируемых поверхностях манжеты .

Показателем контактной плотности может служить коэффициент разуплотнения , указывающий во сколько деформирующая нагрузка ( давление жидкости ) превосходит текущее значение удельного контактного давления. Этот коэффициент заключен в пределах от + 1 до - 1 .

7. Анализ полученных уравнений регрессии и коэффициентов корреляции позволил установить существование тесной и линейной связи коррелируемых величин удельных давлений контакта и нагрузок при скоростях деформации тела манжеты , не превышающих значения 0,35 МПа/с . Отмечается эффект взаимодействия и влияния факторов контактных давлений на торце и лопасти манжеты , причем уменьшение первого способствует росту второго.

8. В результате испытания резиновых , резинотканевых и комбинированных манжет установлено , что эксплуатационная выносливость последних в 2 - 3 раза выше , а интенсивное накопление повреждений тела манжеты соответствует периоду после износа защитного металлического пояса .

Комбинированные манжеты повышенной эксплуатационной выносливости и надежности рекомендуются к внедрению в уплот-нительных уэлах машин и агрегатов .

9. Отдельные конструкторские разработки и результаты исследовании манжетных уплотнителей использованы в промышленности. Выпущен отраслевой стандарт ( ОСТ 3805225 - 81 ) "Манжеты уплотнительные для герметизации нефтепромысловых труб при испытании внутренним гидравлическим давлением

В результате внедрения партии манжет повышенной выносливости получен экономический эффект 56 тыс. рублей .

Общий экономический эффект по отрасли составляет в год 232 тыс. рублей .

1. Денни Д. Исследования гидравлических уплотнений. Сб. "Машиностроение за рубежом". М. 1964,№4, с.53

2. Григорьев B.C., Даввдов Ю.П., Нискина Ф.Е., Свистунов Ю.Н.,

3. Смородин М.В. Металлические манжеты. "Химическое и нефтяное машиностроение", 1974, №8, с.43

4. Бартенев Г.М., фбук Б.С., Коморницкий-Кузнецов В.К., Юровский B.C. К вопросу расчета радиальных усилий резино-армированных манжетных уплотнений. "Каучук и резина", 1966,1. W 10 , с. 25-£8.

5. Голубев Г.А., Кукин Г.М. Уплотнения вращающихся валов. "Наука", М.1966.с. 220, илл.

6. Макаров Г.В. Уплотнительные устройства. "Машиностроение", М. 1965., 200с., илл.

7. Горелик Б.М. Некоторые принщпы конструирования формовых резиновых деталей машин. "Каучук и резина", 1962, £10, с. 7-14.

8. Добрушкин Д.Б., Бичевская Л.И., Хомякова Н.И., Пустобаева Г.П. О некоторых факторах, влияющих на выносливость резиновых манжетных уплотнений гидропривода. "Каучук и резина", 1967,f 1, с.36-40.

9. Мкртычан Я.С., Чижиков Ю.Н. Исследование напряженного состояния манжеты резинометаллического поршня бурового насоса. "Химическое и нефтяное машиностроение" ,1974,ВД,с.9-10.

10. Орлов З.Д., Орлова Г.С., Попов Г.А. Исследование условий продавливания резинотканевого материала через щель.

11. Каучук и резина" , 1975, Ш,с.46-47.

12. Добрушкин Д.Б. Проектирование эластичных торовых уплотнений. "Вестник машиностроения", 1970, S12, с.38-42.

13. Горелик Б.М. , Капоровекий Б.М. Об использовании тонкихрезиновых прокладок для герметизации соединения при низких температурах . "Химическое и нефтяное машиностроение", 84, 1969

14. Горелик Б.М., Капоровекий Б.М* Влияние давления рабочей среды и размеров армированных резиновых деталей на их герметизирующую способность при охлавдении."Каучук и резина", №1,1969

15. Хачатрян Г.Р., Горелик Б.М., Вагаельман Е.й. »Амурский Б.И. Потери на трение в узлах уплотнения гидросистем с резинотехническими деталями. "Каучук и резина", Ш, 1968,с.35-38

16. Шне^цер Ю.Г. ,Рейнус А.Л. »Ерченков А.И. Влияние качества металлической поверхности на усилия трения и герметичность уплотнительной пары. "Вестник машиностроения",!^, 1969,с*21

17. Загорянский Г.Н. Исследование влияния технологических факторов на работу манжетных уплотнений. Автореферат, Днепропетровск, ДМЕТИ, 1973.

18. Соколов Е.П. Повышение долговечности резиновых уплотнений узлов гидравлики. "Каучук и резина", №10,1968, с.43-46

19. Ким М.Ф., Александрова Л.В. »Капоровекий Б.М. Исследование резиновых уплотнительных деталей в подвижных соединениях. "Производство шин, РТИ и АТИ", 1974,с.20

20. Топогуненко Е.Т. Основы конструирования и расчета химических аппаратов и машин. "Высшая школа",Киев, 1974,с.13-14

21. Ратнер С.Б. О внешнем трении резины. Коллоидный журнал, вып. 3, 1956,с.373-379

22. Бартенев Г.М. О законе трения высокоэластичных материалов по твердым гладким поверхностям. ДАН СССР, том 103,15,1955

23. Кнопс Р. Трение эластомерных уплотнений. Сб. "Проблемы-Несовременной уплотнительной техники, изд. "Мир",М. 1967,с.236

24. Бартенев Г.М. Лаврентьев В-В. О законе трения при упру -гом контакте поверхности. ДАН СССР, том 141,1961 •

25. Ворохов A.M. »Ганшин A.C. .Додонов Н.Т. Волокнистые и комбинированные сальниковые уплотнения. "Машиностроение", М.1966, с.312.24. резниковский м.М. ,Лукомская Л'й. Механические испытания каучука и резины. "Химия", М. 1968, с.296-300 .

26. Айнбиндер С.Б. ,Алксне К.Н. ,Тюнин 9.Л., Лака М.Г. Свойства полимеров при высоких давлениях. " Химия",М. 1973,192 с.

27. Мехтиев е.Х. »Абдулаев М.А.,Гаджиев 8.ffl. .Кондратенко П. И. Хаиме ф.г. Исследование упругих свойств резины, применяемой в буровых скважинах . " Машины и нефтяное оборудо -вание", №5,1972,с.15.

28. Банковская Т.П. .Аврущенко Б.X* .Никифоров В«П. ,Акопян Л»А. О процессах релаксации напряжения в резинах из бутадиен-нитрильных каучуков в воде. Каучук и резина,1976,с.26.

29. Астон Н.М. Исследование релаксации резиновых Уплотнительных колец, p.ffi. "Машиностроительные материалы , конструкциии расчет деталей машин", t976,c.60.

30. Определение пригодности материалов для изготовления уплотнений по релаксации напряжений. Э.И. "Детали машин",№5,19/6.

31. ЛавБ.,Палмер К. Исследование релаксащи напряжения высокотемпературных уплотнительных колец круглого сечения.

32. Сб. "Проблемы современной уплотнительной техники", иед. "Мир", М. 1967, с. 117-147

33. Лепетов В.А., Лепетова Н.В. К расчету проектных конструкций технических резиновых изделий. Труды ШТХТ им. М.В.Ломоносова, вып. 3, 1052 , 103 с.

34. Горелик Б.М. Труды HiMHi, вып. 2, lvöb .

35. Горелик Б.М. К вопросу о выборе и назначении допускаемых напряжений и деформаций для резиновых деталей машин.

36. Каучук и резина", Щ, 1967, с. 27-31

37. Блоу С.М. Разработка и испытание эластомерных материалов для гидравлических уплотнений. Сб. "Проблемы современной уплотнительной техники." изд."Мир", М. 1967,с.61-89

38. Добрушкин Д.5., Бичевская Л.И., Хомякова Н.И. Влияние физико-механических характеристик резин на работоспособность манжет, герметизирующих высокие давления."Каучук и резина", W7, 1963

39. Лепетов В.А. Резиновые технические изделия. "Химия",Л. 1976, с. 249 254

40. Абрамов Е.И., Колесниченко К.А., Маспов В.Т. Элементы гидропривода. "Техника" , Киев, 1969, с.289

41. Зуев Ю.С./кузьминский A.C., 0 старении резины в атмосферных условиях. Сб. "Старение и утомление каучуков и резини повышение их стойкости". "Госхимиздат", Л. 1955

42. Сб. " Резина- конструкционный материал современного машиностроения ". "Химия", М. 1967

43. Аврущенко Б.Х. , Лепетов В.А. Пневматическое резиновое уплотнение для периодической герметизации больших зазоров. "Каучук и резина", №7, 1966, с. 32

44. Краснобрыжая P.A., Тархов Г.В., Блох Г.А., Онищенко З.В., Кирсанов В.Г. Разработка долговечных резинотканевых уплот-нительных манжет. "Производство шин, РТИ и АТИ 1ЩШВНеф-техим , М. № 5, 1973, с.27- 28

45. Пономарев С.Д. ,5идерман В.Л., Лихарев К.К., Макушин В.М., Машнин H.H., Феодосьев В.И. Расчеты на прочность в машиностроении. Машгиз^ М. 1958, 759 с.

46. Кирсанов В.Г., федоренко З.И. Проектирование манжетных уплотнителей больших зазоров. " Производство шин, РТИ и АТИ", Цриитэнефтехим, М. f 7, 1978, с. 24 26

47. Потураев В.Н. Резиновые и резино-металлические детали машин. "Машиностроение", М. 1966, с.42

48. Григорьев Е.Т. Расчет и конструирование резиновых амортизаторов. Машгиз, М.,1960, 300 с.

49. Беленьков А.Ф., Лапшин П.С. О герметизирующей способности пакеров сжатия. "Машины и нефтяное оборудование", М.ff 3, 1072, с. 11-14

50. Трусов К.И. Релаксация напряжений в политетрафторэтилене при деформации сжатия. "Пластмассы", М. Р 10, 1968.

51. Качанов Л.М. Основы теории пластичности. "Наука",М. 1969,420с.

52. Москвитин В.В. Сопротивление вязко-упругих материалов . "Наука", М. 1972, 328с.

53. Бленд Д. Теория линейной вязко-упругоети. "Мир",М. 1965- tie .55 . Теория смазочного действия и новые материалы .1. Наука и, М. 1965 . 254с.

54. Тархов Г.В., Блох Г.А. О совместном структурирующем действии полиголовдного соединения и фенолформальдегид-ной смолы. Известия ВУЗов СССР , "Химия и химическая технология ", Ш 10 , 1909 , с. t428.

55. Кирсанов В.Г. , Стрижак В. И. и др. Устройство для уплотнения концевой части трубы при гидравлических испытаниях . Авторское свидетельство £ 411347 , та. £01 , 1974

56. Туричин A.M. Электрические измерения неэлектрических величин, "анергия", М.-Л. 1966 , 690 с.

57. Батунер Л.М., Поэин М.Е. Математические методы в химической технике. "Химия" , Л. 1971 , 824 с.

58. Сафаров Р.С. ,Кахраманов Х.Т., Сквирский С.А. Определение коэффициентов бокового давленая v образной манжеты из асборезинового материала АНГ . "Химическое и нефтяное машиностроение № 5 , 1974 , с. 5 - 7 .

59. Кирсанов В.Г. , федоренко З.И. Разуплотнение поверхности контакта упругоэластичных манжет. "Производство шин, РТИ и АТИ ", М. ЩШПВнефтехим n К9 , 1976, с. 33-35

60. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. " Высшая школа", М. 1972, 368 с.63. румшиский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента . "Наука" , М. 1971, 191 с.

61. Хикс Ч. Основные принципы планирования эксперимента. " Мир", М. 1967 , 406 с.

62. Шевченко B.C., БехтерВ.Н., Лапотко О.П. Долговечность гццравлического оборудования станков. " Наука и техника и , Минск , 1973 , 190 с.

63. СтрижакВ.И., федоренко З.М., Мамон Л.й., Кирсанов В.Г. ^ Уплотнение труб при гидроиспытании на прессах высокого давленая. "Металлургическая и горнорудная промышленность", Днепропетровск, ®5 , 1973, с. 79 80 .

64. Уплотнительная манжета для герметизации труб при опрес-совке. Информационный листок. "Реклама", Киев, 1976 .1. Ш 3746.

65. Безсонов Н.В., Кретов Б.К. Пособие для расчета экономии от внедрения изобретений и рационализаторских предложений. ЩИПИ , М. 1977 , 176 с.

66. Шевченко B.C. О выборе критериев надежности гидроустройств . В сб. "Теория и практика комплексного решения задач повышения надежности изделий машиностроения и приборостроения ". М. ,иад. Комитета стандартов, 1967. с.

67. BoCztn%гъА. L'hL&botiz de. €cl maiadU. cks jolrvbs Oe caitaZLsa--fcum. en c(xoatck.ocie, " Gax cuxjouL'ituX'1, 1969,95f />/<? .

68. A Ston. Ai. -the, seaEauj, e£as -tcmeiS 8y domfmsslott stizss letfaxatuDii ."Lucas tn^. R.W." 197Sf V-4.

69. Sdl W; VlckbiLnqe in. *Jebm£iVL. Ш, lectstki^-t, , 97 c .

70. Siojess 2zEcaccLtic n. -test ~Ы£Е ьготя. -than. ij&npeuctu'iz

71. Карман Т. , Био М. Математические методы в инженерном деле. Гостехиадат. М.~ Л. 19^8. с. 311 .

72. Ландау Л., Лифшиц Е. Механика сплошных сред . Гостех-иэдат. М. 1944. с.496 .

73. Кирсанов В.Г. Комбинированная уплотнительная манжета. Авторское свидетельство §916340 , кл. V 16 й 15/32.

74. Кирсанов В.Г., Федоренко &.И. йзследование и совершенствование манжет для уплотнения повышенных радиальных зазоров. Тевисы доклада. Свердловское областное правление БХО им. Д.й.Менделеева * Свердловск. 1983,с.5-7.

75. Холистер Г.С. , Томас К. Материалы, упрочненные волокнами . "Металлургия". М. 1969. 1в с.