автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Влияние упрочняемости материалов на герметизирующую способность уплотнительных соединений

На правах оукописи

Турченко Алексей Владимирович

ВЛИЯНИЕ УПРОЧНЯЕМОСТИ МАТЕРИАЛОВ НА ГЕРМЕТИЗИРУЮЩУЮ СПОСОБНОСТЬ УПЛОТНИТЕЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Специальность: 05.02.02 - Машиноведение, системы приводов и детали машин

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 3 ЯИВ 2214

Братск 2013

005544646

005544646

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Братский государственный университет» на кафедре «Машиноведение и детали машин»

Научный руководитель: Огар Петр Михайлович

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Люкшин Борис Александрович

доктор технических наук, профессор, ТУ СУР, ин-т физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск

Пыхалов Анатолий Александрович

доктор технических наук, профессор, ИрГУПС, г. Иркутск

Ведущая организация: ОАО «Иркутский научно-исследовательский

институт химического машиностроения», г. Иркутск

Защита состоится 14 февраля 2014 года в 9-00 часов на заседании диссертационного совета Д212.018.02 при ФГБОУ ВПО «Братский государственный университет» по адресу: 665709, г. Братск, ул. Макаренко, д. 40, ауд. 3205.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Братского государственного университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 665709, г. Братск, ул. Макаренко, д. 40, БрГУ, диссертационный совет Д212.018.02, ученому секретарю: efrernov@mail.ru. тел.: 8(3953) 32-53-63, факс: 8(3953) 33-54-12.

Автореферат разослан 13 января 2014 года.

Учёный секретарь (

диссертационного совета, л Г) I

кандидат технических наук, доцент ' /д,..И.М. Ефремов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИК РАБОТЫ

Актуальность темы. В условиях рыночной экономики важным фактором является выпуск конкурентоспособной продукции. Совершенствование конструкций герметизирующих устройств, уплотнений и уплотнительной техники связано с ограничением их материалоемкости, минимизация запасов прочности элементов конструкции при одновременном росте технико-энергетических характеристик - повышением давления и расхода рабочих сред, расширением температурного диапазона и в значительной мер« ограничивается надежностью изоляции сред. Изоляция сред достигается различного вида уплотнительными соединениями (УС), которые относятся к числу основных элементов агрегатов гидравлических, пневматических, топливных систем, затворов трубопроводной арматуры и сосудов высокого давления, определяющих общий уровень надежности технических машин и оборудования. Например, число отказов, связанных с потерей герметичности, составляет до 2/3 числа отказов всех авиационных систем. Создание конкурентноспособных УС предполагает оптимальное сочетание их конструктивных параметров, чтобы основные требуемые свойства - прочность, герметичность и долговечность обеспечивались минимальным усилием герметизации, что приведет к минимальным массогабаритным характеристикам.

Герметичность УС определяется контактными характеристиками: плотностью зазоров в стыке; относительной площадью контакта; распределением пятен контакта по величине и возможностью их слияния. При определении контактных характеристик широко используется дискретная модель шероховатости, в которой микронеровности (далее неровности) представлены в виде сферических сегментов, распределение которых по высоте соответствует опорной кривой профиля. В зависимости от условий контактирования возможен различный характер деформирования неровностей: упругий, упругопластический, жесткопластический.

В отличие от упругого и жесткопластического контактов, упругопластический контакт менее изучен ввиду определенных сложностей, связанных с учетом упрочняемости материала в процессе нагружения и определения границ упругой области и областей ограниченной и развитой упругопластичности.

Цель работы - определение герметизирующей способности уплотнитель-ных стыков, содержащих детали с упрочняемыми материалами, путем определения контактных характеристик стыка шерЬховатых поверхностей в зависимости от параметров упрочнения.

Реализация цели связана с решением следующих задач исследований.

1. Определение критерия пластической деформации с учетом взаимного влияния неровностей.

2. Математическое описание упругопластического контакта на основе диаграммы кинетического индентирования сферой.

3. Учет характеристик упрочняемого материала при упругопластическом внедрении единичной неровности.

4. Определение геометрии контакта при упругопластическом внедрении сферической неровности.

5. Моделирование упругопластического контакта шероховатых поверхностей.

6. Определение герметизирующей способности при упругопластическом деформировании уплотнительного стыка.

7. Сравнение полученных результатов теоретических исследований с опубликованными результатами конечно-элементного анализа и натурного эксперимента.

Объект исследований - стык шероховатых поверхностей уплотнительных соединений.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, полученных автором, подтверждаются опубликованными результатами конечно-элементного анализа и экспериментальных исследований. Научные положения аргументированы, теоретические результаты работы и выводы подтверждены использованием теорией упругости и пластичности, механики контактного взаимодействия, трибомеханики, теории вероятности, специальных разделов математического анализа, имитационным моделированием.

Научная новизна проведенных исследований.

1. Установлено, что начало пластической деформации отдельной неровности зависит от общего напряженно-деформированного состояния полупространства при внедрении в него жесткой шероховатой поверхности, которое характеризуется приложенным контурным давлением цс .

2. Внедрение сферической неровности в областях ограниченной и развитой упругопластйчности описано с использованием диаграммы кинетического ин-дентирования сферой, важным свойством которой является независимость кривой разгрузки от характера распределения давления на площадке контакта.

3. Впервые аналитически определена экспонента кривой разгрузки, которая определяется эффектами "БІпк-іп/ріІе-ир" и относительной величиной внедрения.

4. Для упругопластического тела со степенным законом упрочнения Хол-ломона с известными физико-механическими свойствами пластическая твердость определена методом «двухкратного вдавливания» на основании опубликованных результатов конечно-элементного анализаі упругопластического внедрения сферы. Это позволило впервые определять глубину остаточной лунки с учетом характеристик упрочняемого материала.

5. Впервые получены аналитические выражения для описания геометрии контакта (профиля нагруженной лунки), учитывающие одновременное действие эффектов "зіпк-іп/ріїе-ир".

6. Разработанная математическая модель контактирования жесткой шероховатой поверхности с упругопластическим полупространством позволила впервые оценить влияние характеристик упрочнения материала на контактные характеристики и герметизирующую способность уплотнительного стыка.

Практическая ценность работы заключается в том, что на базе проведенных исследований с использованием известных результатов конечно-элементного анализа внедрения сферического мндентора в упрочняемое упру-гопластическое полупространство создан современный инженерный метод расчета упругопластической контактной деформации, учитывающий эффекты "81пк-1п/рПе-ир". Это позволило разработать методики опргделения контактных характеристик и герметизирующей способности уплотнит ельного стыка с учетом упрочняемости материалов.

По результатам исследований в ОАО <<ИркугскНИИхимии» внедрены:

• методика «Определение характеристик упругоплаэтического контакта шероховатых поверхностей»;

• программное обеспечение «БС-ЕРС» по определению герметизирующей способности уплотнительных стыков.

Указанные разработки внедрены также по магистерскому направлению 150400 - «Технологические машины и оборудование» и для подготовки в аспирантуре по научной специальности 05.02.02. - «Машиноведение, системы приводов и детали машин».

Апробация работы. Результаты и основные положения доложены и обсуждены на: IV и V международных научно-технических конференциях «Проблемы механики и современных машин», г. Улан-Удэ, 2009 и 2012гг.; международной научной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии», Липецк, 2012г.; XI и XII Всероссийских конференциях с международным участием «Механики XXI веку», Братск, 2012 и 2013 гг.; на Всероссийских научно-технических конференциях «Естественные и инженерные науки - развитию Сибири, Братск, «2008-2013гг.

Публикации. По результатам работы опубликовано 35 печатных работ, из которых 21 статья, 10 докладов и 4 тезисов докладов. В изданиях, рекомендованных ВАК опубликовано 14 статей:

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы 135 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована цель исследований, актуальность рассматриваемой работы, ее научная новизна и практическая значимость.

В первой главе приведены общие сведения об различных уплотнительных соединениях для сред с повышенными давлениями и температурами: фланцевых, штуцерных, клапанных, затворах сосудов. Материалами деталей таких соединений являются металлы -стали углеродистые и легированные и цветные металлы и сплавы: латуни, бронзы, алюминиевые, никелевые, и титановые сплавы. Область применения материала определяется комплексом его свойств с учетом необходимой долговечности и его стоимости. Основными Свойствами является прочность, коррозионная устойчивость, технологическая обрабатываемость, для прокладочных материалов - пластичность. Основными характе-

ристиками материалов, используемых в дальнейших расчетах являются: предел текучести ау, предел прочности <у„, относительное удлинение при разрыве

f,p, модуль упругости Е и коэффициент Пуассона ц. Для описания свойств

материалов в работе принят наиболее часто используемый в зарубежной литературе степенной закон Холломона (Hollomori's power law)

Е-е, ъ<ъу\

а1~пЕпеп, е>£у

где относительная деформация; п - экспонента упрочнения; гу =ayjE.

Приведены характеристики упрочнения гу и и для основных материалов,

используемых в арматуростроении.

Произведен анализ существующих методов определения герметичности и контактных давлений герметизации. Показано наличие научно-обоснованной методики определения герметичности для упругого контакта шероховатых уп-лотнительных поверхностей и отсутствие таковой для упругопластического контакта.

Приведен обзор методов расчета упругопластической контактной деформации при внедрении сферического индентора. Отмечено, что вклад в исследованиях по данному вопросу, в разное время, внесли отечественные ученые в области механики контактного взаимодействия деталей машин и шероховатых поверхностей: Александров В.М., Болотов А.Н., Буланов Э.А., Воронин H.A., Горячева И.Г., Демкин Н.Б., Добычин М.Н., Измайлов В.В., Ишлинский А.Ю., Крагельский И.В., Кузьменко AJT., Кузьмин H.H., Ланков A.A., Михин Н.М., Морозов Е.М., Огар П.М., Сутягин О.В., Тарасов В.А. Царюк Л.В. и др. Значительный вклад внесли ученые в областях определения механических свойств материалов и деформационного упрочнения деталей машин: Булычев С.И. с соавторами, Дрозд М.С. и Матлин М.М.. с учениками, Донское A.C., Ковалев А.П., Марковец М П., Матюнин В.М., Шабанов В.М. и др.

Из зарубежных ученых отмечены: Ahn J.H., Ai К., Alcala J., Ánglada M., Barone A.C., Bartier O., Beghini M., Bekouche Y., Dai L.H., Chen H., Chen J., Choi Y., Cipriano G.I., Collm J.-M., Cui H., Él Abdi R., Herbert E.G., Hernot X., Hill R., Huang С., Johnson К., Kim S.H., Kogut L„ Komvopoulos K., Kozel Т., Kucharski S., Kwon D., Lee B.W., Lee H., Lee J H., Matthews J.R., Mauvoisiri G., Meyer E., Monelli B.D., Mroz Z., Norbury A., Oliwer W.C., Pharr G.M., Pilvin P., Samuel Т., Strokakers В., Taljat В., Wu С., Zacharias Т., Zdunek A.B.

Исходя из вьнпеуказанного произведена постановка задач исследований.

Во второй главе рассмотрены вопросы, связанные с внедрением сферической неровности в упрочняемое упругопластичесКое полупространство.

Для уплотнительных стыков характерна большая плотность пятен контакта, при которой на контактные характеристики в значительной мере оказывает 'взаимное влияние неровностей. Принято, что влияние на характеристики кон-

такта отдельной неровности напряжений на остальных пятнах контакта будет эквивалентно влиянию равномерно распределенной нагрузки дс, действующей в кольцевой области. Приведены выражения для эквивалентных напряжений на площадке контакта и в приповерхностном слое. Показано, что начало пластической деформации отдельной неровности зависит от общего напряженно-деформированного состояния полупространства, которое характеризуется приложенным контурным давлением дс .

Рассмотрен контакт жесткой сферы с упругопластическим полупространством, свойства которого описываются выражением (1). Максимальное контактное давление на площадке контакта, при котором начинается пластическая деформация, представлено в виде:

РОу ~ Куау>

где А^,-константа, зависящая от критерия пластичности.

Используя соотношения теории Герца, выражения для критической нагрузки Ру и соответствующей ей деформации ку представлены в виде:

_Ру__кУ - (2)

Е*Я2 6 ' Я 4 '

где Я - радиус сферы; еу=ау/Е* , Е*=е/[1-ц2).

Уравнение упругопластического деформирования получено на основе диаграммы кинетического индентирования материала (рис. 1)

где т = уу0 /и> - показатель степени кривой разгрузки Ре = С2 (/¡е - Ь/^Г ■

Согласно методике определения механических свойств материалов Оливера - Фарра

И £ т)т

(4)

где £ = 0,75 для сферического индентора; йу-остаточная глубина отпечатка. Подставляя (4) в (3) и обозначая

И (. Е ^ е 2 /с\

1--\ + — = У (5)

'/V г

.А/Л тI т

получено

>>3->---= . (6)

2Е*А2ЯИу

Рис. 1. Диаграмма кинетического индентирования материала

Используя подобие деформационных характеристик, нагрузка представлена в безразмерном виде

К = Р/Ру. (7)

где Ру - критическая нагрузка, определяемая из выражения (2). Подставляя выражения (7) и Ру из (2) в (6) и с учетом того, что

получено уравнение

3 6°-5к(т-е)

у --V-и.

(к-іу

К„

1,5

=0,

(8)

(9)

свободный член которого характеризуется безразмерными величинами: степенью нагружения К и параметрами т, е, Ку и К^. Параметр К/, характеризует степень упрочнения материала.

Имея решение уь уравнения (9), из (5) найдена глубина внедрения сферы

Ук ~

й = йг . . 1 1 -я/т

Для глубины контактирующей части (Непк* X. с соавторами).

где с2 =с2(еу, п).

К =с1И,

(10) (П)

С учетом выражений (2) и (8)

hf n2Klz2y{K-1) R ~ l2Kh

Общая глубина контактирующей части может быть также представлена в

Важным параметром входящим в уравнение (9), является К¡,, который определен методом «двухкратного вдавливания» по М.С. Дрозду на основании опубликованных результатов конечно-элементного анализа и представлен в виде:

что указывает на зависимость параметра К/, от характеристики упрочняемого материала.

В работе были проведены расчеты относительного радиуса контакта a/R в зависимости от приложенной нагрузки и их сравнении с экспериментальными данными. Показано, что отклонения расчетных и экспериментальных данных составляют 5... 15%.

Третья глава посвящена определению относительной площади контакта, плотности зазоров и герметизирующей способности уплотнительного стыка при внедрении жесткой шероховатой поверхности в упругопластическое полупространство.

Для повышения точности определения контактных характеристик предварительно была решена задача по определению геометрии контакта при упруго-пластическом внедрении сферической неровности, т.е. определению профиля неконтактирующей поверхности полупространства в нагруженном состоянии uz(r), где г - г/а, а-радиус площадки контакта.

Профили нагруженной й восстановленной лунки для эффектов "sink-in / pile-up" представлены на рис. 2,

виде

"„(г)

■V \

ир{г)

г

г

sink-in

pile-up

Рис. 2. Профили нагруженной и восстановленной лунки.

Высота навала в разгруженном состоянии

ир{а)=Ис-И+кс, (14)

где >сс- упругое восстановление контура отпечатка. Величина и'с определена из условия нагружения упругого полупространства нагрузкой вида

р(г)-Ро(1-г2/а2У", (15)

где Рр=0...0,5.

Показано, что если процесс нагружения сферического индентора можно аппроксимировать выражением

Р = Сфа", (16)

где Рр =0^-1.

Сделано допущение, что профиль навала разгруженной лунки для г>а описывается выражением

а„ -г

а„-а

ЛР

,г>а (17а)

/

или

2

,г> 1, (176)

ар =-1 +

где г =г/а, ар=ар/г

Значение ар найдено из условия равенства вытесненного объема разгруженной лунки, находившегося ниже исходной поверхности, и объема навала, находящегося выше исходной поверхности:

I | б^-З^+йДр

У «Р(0« 52

Тогда профиль неконтактирующей поверхности в нагруженном состоянии описывается уравнением:

+ (19)

где ие(г) - упругое перемещение точек поверхности вне площадки контакта

при действии нагрузки вида (15).

Расчет профилей по выражению (19) показал хорошее совпадение с опубликованными данными, полученными в результате конечно-элементного моделирования (ТаЦа1 В., РЬагг О.М.).

Для определения контактных характеристик использована дискретная модель шероховатости, в которой микронеровности представлены в виде одина-

ковых сферических сегментов радиусом R, распределение которых на высоте соответствует опорной кривой профиля реальной поверхности:

где £ - относительный уровень; В£(а,р), В(а,р) - соответственно неполная и полная бета-функция: а; р - константы, определенные высотными параметрами шероховатости согласно стандарту ISO 4281/1-1997

В этом случае плотность функции распределения неровностей по высоте:

где es определяется из условия ф„(е,)=1, соЯщах - высота сферического сегмента, ю = 0,2...0,6. Радиус сферического сегмента определяется выражением:

R= а< . (22)

. 2м«тах

где ас— радиус основания сегмента. Выражение (22) получено при условии, что R»Rmax.

При упругом контакте зависимость между относительной величиной внедрения /'-той неровности h/R и относительным усилием описывается выражением

3

р. 4'

E*R2 3 Для упругопластического контакта

\)2 R) '

(23)

Е'^'Л«) • (24)

А,=(е-«)Лтах, (25)

Р f h Y*1

2 /„ v

/>, _ (е-ц)-2ш/?п

R ~ a} I 2(0

e — wY 2a J

2 (OR,

max

(26)

где =/4о(еу,п), а) =а|(еу,и) - коэффициенты; е- относительное сближение шероховатой поверхности и полупространства.

При внедрении жесткой шероховатой поверхности на величину е общее усилие Р определяется выражением:

/'= )РсАг+ ¡кр^г . (27)

где ве- относительная граница упругого контакта; <51пг - число вершин в слое <1и;

¿пг =исф'„(«)сА/, пс=-

паг

Подстановкой выражения (28) в (27) получено

р £ е-Е«

- = Я с = I Чсе, • Фи («V" + I Чсерх ■ Фи ("V" .

(28)

(29)

_ Ре, _£е£1_ где 1се1 - 2 ' ~~ 2 '

лас

Обозначая

с учетом (23), (24) и (26) имеем

Зяе_'е I 2со

_ ( , 8 * (е-и)2 , ( ч. , 2 ^ 'Ад

! к- фя(и)л+—-—

ч2а,-3

е-Е. / \а, г '( Е-и ^ 1

2ш

ф'„(ы>/м

(30)

(31)

Для фактической площади контакта, аналогично выражению (27), получено

Е е-ее

Аг = \Аыс1пг+ \Агф(1пг. (32)

Г . е-ге 0

При определении Ан учтено, что

(33)

где с} = 0,5 - упругого контакта; для упругопластического с} = с?{гу, и). ■ Для относительной площади контакта

ахУи

Т1(8,8г) =- Г ,

фЦм>/м+(2М);

N

2юй„

(34)

I

2<о

где М = м\^у,п), N = Д^(£у,и) - коэффициенты.

На рис. 3 представлены зависимости относительной площади контакта п от безразмерного силового упругогеометрического параметра при разных

значениях е„ и п .

, / = 0,003

3,005

О 0.005 0.01 0.015 р

О 0.005 0.01 0.015

Рис. 3. Зависимости ): а) п = ОД, гу =0,001...0,005 ; б) еу = 0,003 , п = 0,0...0,2 .

Плотность зазоров в стыке, необходима для расчета функционала проницаемости Си, определяется выражением

V,

Л(е) = —= 1,- Кр -8 + \е(е)-Лр(е),

Л: ^тах

(35)

где Кр = ,

0

лв(Е)=гв/(4А,„), л/?(Е)=кр/йслтах). (36)

Общий объем за счет упругого продавливания всех неровностей, деформирующихся упруго и упругопластически

Е £~ее

' к(е)= \^еА^и)пс(р'п(иУи+ ¡Уер/(е,и)пс(р'„(и)с1и, (37)

где

7 +

М лг Л

(38)

где 2 (а, Ь; с; х)— гипергеометрическая функция Гаусса;

е-и

2\ер

: М»>

Че

2тЯ„

2а>

Б — и

СО

Суммарный объем пластически вытесненного материала

Б—Бе

о

где

- а,

' Г N

- н

/? 2лКкгу

(1Г-

(41)

(42)

(43)

(44)

(45)

где Кк = Кк\ру,п), р, =р/й, р,- радиус остаточной лунки после снятия нагрузки.

На рис. 4. представлены зависимости плотности зазоров в стык Л от безразмерного силового упругогеометрического параметра при разных значениях

я)

\ \Ч% «ОДО

■©до 0,001 _

Рис. 4. Зависимости л(р?): а) п = 0,1, еу = 0,001...0,005 ; б) е^, = 0,003,

п = 0,0...0,2 .

Безразмерный функционал проницаемости Си, характеризующий герметизирующую способность стыка определяется выражением

4(1 - Т)(Е))2 К,

где Л - плотность зазоров в стыке; 14- относительная площадь контакта; и„-коэффициент, определяющий долю эффективных микроканалов в уплотни-тельном стыке; К у =1- рт/Ар - потери на местных сопротивлениях, для определения которых используется формула Вейсбаха. Для упрощения исследований принято Kf-1, К,- коэффициент извилистости.

Интенсивность массового расхода жидкости (расхода иа единицу длины по периметру уплотнения) через уплотнительный стык при равномерном распределении контактных давлений по ширине зоны контакта определяется выражением

С, (47)

где

с й^рдР (48)

} 2/р

Выражение (48) содержит параметры, являющиеся исходными при расчётах величины утечки: Ятах- максимальная высота неровностей; р, ц-плотность и вязкость среды; Др = - р2 - перепад давлений.

Аналогично для интенсивности объемного расхода £)/ идеального сжимающего газа

0,=С8Си,: (49)

с _ к1Лр\г - /V ) (50)

8 4/ц

Выражение (50) получено в предположении, что состояние газа описывается уравнением Клапейрона-Менделеева.

Доля эффективных микроканалов определена аналогично, как для упругого контакта в зависимости от г|(. '

На рис. 5. представлены полулогарифмические зависимости относительного функционала проницаемости от безразмерного упругогеометрического параметра , при разных значениях характеристик упрочняемого материала еу

и и. При этом

К)

"= си(о) •

а) б)

Рис. 5. Зависимости относительного функционала проницаемости Си от безразмерного упругогеометрического параметра ^, при разных значениях Е^ил.

Для конструкционных материалов, используемых в уплотнительной технике еу =0,001...0,005, л = 0...0.2. Как следует из рис. 5, влияние характеристик

упрочняемого материала на герметизирующую способность весьма существенно.

Приведен пример использования полученных результатов.

Заключение.

.1. Определены критерии появления пластических деформаций в приповерхностном слое. Показано, что начало пластической деформации отдельной неровности зависит от общего напряженно-деформированного состояния полупространства, которое характеризуется приложенным контурным давлением

Чс-

2. Процесс упругопластического деформирования описан на основе диаграммы кинетического индентирования материала, важным свойством которой является независимость кривой разгрузки от характера распределения давления на площадке контакта.

3. Расчет упругопластической деформации произведен с использованием метода подобия деформированных характеристик. При этом экспонента кривой разгрузки определена расчетным путем. Для инженерных расчетов можно принять те = 1,5.

4. Для учета, упрочняемости материала введен параметр К/, = АгДе^, л),

который определен методом «двухкратного вдавливания» на основании опубликованных результатов конечно-элементного анализа упругопластического внедрения сферы в упругопластаческое тело, описываемое степенным законом упрочнения Холломона.

5. Для повышения точности определения контактных характеристик решена задача по определению геометрии контакта (профиля нагруженной лунки) при упругопластическом внедрении сферической неровности. При этом учтено упругое продавливание материала и образование навала из-за пластического вытеснения материала. Получено хорошее совпадение с результатами конечно-элементного анализа, опубликованными в зарубежной литературе.

6. Для определения контактных характеристик относительной площади контакта и плотности зазоров в стыке использована дискретная модель шероховатости, опорная кривая которой описывается бета-функцией. Показано влияние на контактные характеристики параметров упрочняемого материала zy и п.

7. Для определения герметизирующей способности уплотнительного стыка при внедрении жесткой шероховатой поверхности в упругопластическое полупространство использован безразмерный функционал проницаемости Си. Получены количественные зависимости относительно функционала проницаемости от безразмерного силового упругопластического параметра Fq при разных

значениях zy и п. Представленные результаты свидетельствуют о высокой

чувствительности разработанной методики и изменению механических свойств материалов, учитывают их упрочнение и могут быть использованы для расчета-контактных давлений, обеспечивающих заданную герметичность.

8. Сравнения зависимостей относительного радиуса лунки a/R от величины усилия, определенных по предлагаемой методике, с опубликованными экспериментальными данными показали, что отклонения составляют 5... 15%. Это свидетельствует о том, что введенный параметр Kh = К/,(еу,п) обладает хорошей информативностью, так как описывает упрочнение материала в широком диапазоне механических свойств и может быть использован для инженерных расчетов упругопластической деформации упрочняющихся материалов.

Основные положения диссертации опубликованы в работах: - в изданиях из перечня ВАК:

1. Турченко A.B. Герметизирующая способность тажелонагруженных уплотнитель-ных стыков. / П.М. Огар, В.А. Тарасов, A.B. Турченко // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. ИрГУПС. 2009, № 3(2:3). С. 136-142.

2. Турченко A.B. Влияние характеристик упрочняемого материала на упругопластическое внедрение сферической неровности. / П.М. Огар, В. А. Тарасов, A.B. Турченко // Системы. Методы. Технологии. 2011. № 4(12). С. 29-34.

3. Турченко A.B. Плотность стыка при упругом контакте шероховатых поверхностей с учетом взаимного влияния неровностей. / П.М. Огар, В.А. Тарасов, A.B. Турченко // Системы. Методы. Технологии. 2011. № 4(12). С. 35-40.

4. Турченко A.B. Влияние характеристик упрочняемого материала на герметизирующую способность соединений. / Ю.Н. Алпатов, В.А. Тарасов, A.B. Турченко // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2012. № 2. С. 83-88.

5. Турченко A.B. Определение показателя степени кривой разгрузки при кинетическом индентировании. / A.B. Турченко // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2012. № 3. С. 17-20.

6. Турченко A.B. Контактирование жесткой шероховатой поверхности через слой упругопластического покрытия. / П.М. Огар, В.А. Тарасов, A.B. Турченко // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2012. № 3. С. 42-45.

7. Турченко A.B. Развитие инженерных расчетов характеристик контакта жесткой сферы с упругопласгическим полупространством. / П.М. Огар, В.А. Тарасов, A.B. Турченко // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2012. № 1. С. 8087.

8. Турченко A.B. Геометрия контакта при упругопластическом внедрении сферической неровности. / П.М. Огар, В.А. Тарасов, A.B. Турченко // Системы. Методы. Технологии. 2012. № 1(13). С. 9-16.

9. Турченко A.B. Контакт жесткой шероховатой поверхности с упругопласгическим полупространством. / П.М. Огар, В.А. Тарасов, A.B. Турченко // Системы. Методы. Технологии. 2012. № 1 (13). С. 17-22.

10. Турченко A.B. Изменение экспоненты кривой разгрузки при сферическом индентировании. / П.М. Огар, В.А. Тарасов, A.B. Турченко // Системы. Методы. Технологии. 2012. № 2(14). С. 39-42.

11. Турченко A.B. Влияние толщины упругопластического покрытия на относительную площадь контакта. / П.М- Огар, В.А. Тарасов, A.B. Турченко // Системы. Методы. Технологии. 2012. № 4(16). С. 14-17.

12. Турченко A.B. Применение кривых кинетического индентирования сферой для определения механических свойств материалов. / П.М. Огар, В.А. Тарасов, A.B. Турченко, Федоров И.Б. // Системы. Методы. Технологии. 2013. № 1. С. 41-47.

13. Турченко A.B. Трибомеханика упругопластического контакта. / Огар П.М., Тарасов В.А., Турченко A.B. // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2013. № 2. С. 116-122.

14. Турченко A.B. Критерий пластичности для единичной неровности при контактировании жесткой шероховатой поверхности с полупространством. / Огар П.М., Тарасов В.А., Турченко A.B. // Системы. Методы. Технологии. 2013. № 2. С. 29-34.

- в других изданиях:

15. Турченко A.B. Выбор оптимальных режимов обработки уплотнительных поверхностей. / П.М. Огар, А. Б. Егоров, A.B. Турченко // Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири: м-лы VII Всеросс. науч.-техн. конф. Братск: БрГУ. 2008. С. 170-171.

16. Турченко A.B. Выбор модели шероховатости для определения эксплуатационных свойств деталей машин. / П.М. Огар, Д.Б. Горохов, A.B. Турченко, Д.Д. Щур // Естественные и инженерные науки -. развитию регионов Сибири: м-лы VIII Всеросс. науч.-техн. конф. Братск.БрГУ. 2009. С. 185-186.

17. Турченко A.B. Определение количества сквозных микроканалов в уплотнитель-ном соединении. / П.М. Огар, В.А. Тарасов, A.B. Турченко// Естественные и инженерные науки — развитию регионов Сибири: м-лы VIII Всеросс. науч.-техн. конф. Братск: БрГУ. 2009. С. 187-187.

18. Турченко A.B. Объем зазоров при упругом контакте шероховатых поверхностей. / П.М. Огар, Д.Д. Щур, A.B. Турченко // Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири: м-лы VIII Всеросс. науч.-техн. конф. Братск: БрГУ. 2009. С. 188-189.

19. Турченко A.B. Критерии пластичности при контакте шероховатых поверхностей. / П.М. Огар, A.A. Дайнеко, A.B. Турченко // Проблемы механики современных машин. М-лы IV междунар. конф. Улан-Удэ: ВГСТУ. 2009. С. 113-116.

20. Турченко A.B. Контакт шероховатой поверхности с упругопластическим полупространством. / П.М. Огар, В.А. Тарасов, A.B. Турченко // Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири: м-лы XI Всеросс. науч.-кхн. конф. Братск: БрГУ. 2012. С. 153-155.

21. Турченко A.B. Влияние упрочняемости материала при внедрении сферического индентора. / П.М. Огар, В.А. Тарасов, A.B. Турченко // Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири: м-лы XI Всеросс. науч.-техн. конф. Братск: БрГУ. 2012. С. 155-158.

22. Турченко A.B. Упругопластическое внедрение сферической неровности с учетом упрочняемости материала. / П.М. Огар, В.А. Тарасов, A.B. Турченко // Проблемы механики современных машин. М-лы V междунар. конф. Улан-Удэ: ВГСТУ. 2012. С. 31-35.

23. Турченко A.B. Улругопластический контакт шероховатых поверхностей. / П.М. Огар, В.А. Тарасов, A.B. Турченко // Проблемы механики современных машин. М-лы V междунар. конф. Улан-Удэ: ВГСТУ. 2012. С. 27-31.

24. Турченко A.B. Инженерный метод расчета характеристик внедрения сферы в упругопластическое полупространство. / П.М. Огар, В.А. Тарасов, A.B. Турченко // Актуальные вопросы современной техники и технологии: м-лы VII Междунар. науч. конф. Липецк. С. 71-80.

25. Турченко A.B. Описание взаимодействия жесткой сферы с упругопластическим полупространством. / П.М. Огар, В.А. Тарасов, A.B. Турченко // Труды Братского государственного унадерситета. Серия: Естественные к инженерные науки. 2012. Т. 1. С 163-169.

26. Турченко A.B. Особенности расчета харастеристик контакта жесткой сферы с упругопластическим полупространством. / A.B. Турченко // Труды Братского государств венного университета. Серия: Естественные и инженерные науки. 2012. Т. 1. С 177-183.

27. Турченко A.B. Удельна» энергоемкость пластического вытеснения материала -при сферическом индёнтировании. /"ILM. Огар, В.А. Тарасов, A.B. Турченко, И.Б. Ce-, доров // Труды Братского государственного университета. Серия: Естественные и инженерные науки. 2012. Т. 3. С 19-26.

28. Турченко A.B. Обеспечение экслуатационных свойств тяжелонагруженнных соединений деталей машин. / ПМ.Огар, В.А.Тарасов, А.В.Турченко, Горохов Д.Б. // Труды Братского государственного университета. Серия: Естественные и инженерные науки! 2012. Т. 3. С 26-35.

29. Турченко A.B. Взаимодействие жесткой сферы с упругопластическим полупространством. / П.М. Огар, В.А. Тарасов, A.B. Турченко // Естественные и инженерные науки развитию регионов Сибири: м-лы ХП Всеросс. науч.-техн; конф. Братск: БрГУ. 2013 .С 155-158.

30. Турченко A.B. Определение механических свойств материалов при индёнтировании сферой. / П.М. Огар, В.А. Тарасов, A.B. Турчгнко, И.Б. Федоров Н Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири: м-лы XII Всеросс. науч.-техн. конф. Братск: БрГУ. 2013. С. 158-160.

л ••!!'." . -

31. Турченко A.B. Энергетический подход к определению твердости материала. / П.М. Огар, В.А. Тарасов, A.B. Турченко, И.Б. Федоров // Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири: м-лы ХП Всеросс. науч.-техн. конф. Братск: БрГУ. 2013. С.161-164.

32. Турченко A.B. Контактирование шероховатой поверхности с упруго пластическим покрытием. / В.А. Тарасов, A.B. Турченко, В.И. Межецкий // Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири: м-лы ХП Всеросс. науч.-техн. конф. Братск: БрГУ. 2013 . С. 164-167.

33. Турченко A.B. К вопросу использования диаграммы кинетического индентиро-вания сферой дл* описания упругопластического контакта. / Огар ИМ., Тарасов В.А., Турченко A.B. // Труды Братского государственного университета. Серия: Естественные

. и инженерные науки. 2013. Т. 1. С. 164-167.

, 34. Турченко A.B. Эффекты "pile-up/sink-in" при внедрении жесткой сферы в упру-гопластическое полупространство. / Тарасов В.А., Турченко A.B. // Механики XXI веку. 2013. № 12. С. 59-65.

35. Турченко A.B. Распределение давления при контактировании сферического ин-дентора с упругопластическим полупространством. / Огар П.М., Тарасов В.А., Турченко A.B.//Механики XXI веку. 2013. № 12. С. 71-72.

Подписано в печать 9.01.2014. Формат 60x84 1/16 Печать трафаретная. Уч.- изд. л. 1,2. Тираж 120 экз. Заказ. 1_. Отпечатано в издательстве ФГБОУ ВПО «БрГУ» 665709, Братск, ул. Макаренко, 40

Братский государственный университет

На правах рукописи

ВЛИЯНИЕ УПРОЧНЯЕМОСТИ МАТЕРИАЛОВ НА ГЕРМЕТИЗИРУЮЩУЮ СПОСОБНОСТЬ УПЛОТНИТЕЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Специальность: 05.02.02 -"Машиноведение, системы приводов и детали машин"

Диссертация

На соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель: д.т.н., профессор П.М. Огар

04201456365

Турченко А.В.

Братск 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ................................................................................. 4

ГЛАВА 1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕРМЕТИЗИРУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ УПЛОТНИТЕЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ С

УПРОЧНЯЕМЫМИ МАТЕРИАЛАМИ................................. 9

1.1. Общие сведения об уплотнительных соединениях................. 9

1.2. Материалы деталей уплотнительных соединений................ 12

1.3. Влияние контактных давлений на герметичность УС.......... 18

1.4. Обзор и анализ инженерных методов расчета упругопластической деформации................................... 25

1.5. Постановка задач исследований.................................... 45

ГЛАВА 2. ВНЕДРЕНИЕ СФЕРИЧЕСКОЙ НЕРОВНОСТИ В

УПРОЧНЯЕМОЕ УПРУГОПЛАСТИЧЕСКОЕ ПОЛУПРОСТРАНСТВО................................................... 48

2.1. Критерии появления пластических деформаций в приповерхностном слое и на поверхности контакта............ 48

2.2. Описание упругопластического контактного взаимодействия на основе кинетического

индентирования материала.......................................... 68

2.3. Совершенствование метода подобия деформационных характеристик для расчета упругопластической

контактной деформации............................................. 76

2.4. Применение результатов конечно-элементного анализа для учета характеристик упрочняемости

материала............................................................... 78

2.5. Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований............................... 83

ГЛАВА 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНТАКТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И

ГЕРМЕТИЗИРУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ

УПЛОТНИТЕЛЬНОГО СТЫКА ПРИ

УПРУГОПЛАСТИЧЕСКОМ КОНТАКТЕ

ШЕРОХОВАТЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ................................. 88

ЗЛ. Геометрия контакта при упругопластическом внедрении

сферической неровности........................................... 88

3.2. Влияние характеристик упрочняемого материала на относительную площадь контакта............................... 94

3.3. Влияние характеристик упрочняемого материала на плотность зазоров в уплотнительном стыке.................... 100

3.4. Влияние характеристик упрочняемого материала на функционал проницаемости........................................ 106

3.5. Использование полученных результатов для инженерных расчетов................................................................. 111

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................... 116

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ......................................................................... 118

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В условиях рыночной экономики важным фактором является выпуск конкурентоспособной продукции. Совершенствование конструкций герметизирующих устройств, уплотнений и уплотнительной техники связано с ограничением их материалоемкости, минимизацией запасов прочности элементов конструкции при одновременном росте технико-энергетических характеристик - повышением давления и расхода рабочих сред, расширением температурного диапазона - и в значительной мере ограничивается надежностью изоляции сред. Изоляция сред достигается различного вида уплотнительными соединениями (УС), которые относятся к числу основных элементов агрегатов гидравлических, пневматических, топливных систем, затворов трубопроводной арматуры и сосудов высокого давления, определяющих общий уровень надежности технических машин и оборудования. Например, число отказов, связанных с потерей герметичности, составляет до 2/3 числа отказов всех авиационных систем. Создание конкурентоспособных УС предполагает оптимальное сочетание их конструктивных параметров, чтобы основные требуемые свойства - прочность, герметичность и долговечность обеспечивались минимальным усилием герметизации, что приведет к минимальным мас-согабаритным характеристикам.

Герметичность УС определяется контактными характеристиками: плотностью зазоров в стыке; относительной площадью контакта; распределением пятен контакта по величине и возможностью их слияния. При определении контактных характеристик широко используется дискретная модель шероховатости, в которой микронеровности (далее неровности) представлены в виде сферических сегментов, распределение которых по высоте соответствует опорной кривой профиля. В зависимости от условий контактирования возможен различный характер деформирования неровностей: упругий, упругопластиче-ский, жесткопластический.

В отличие от упругого и жесткопластического контактов, упругопласти-ческий контакт менее изучен ввиду определенных сложностей, связанных с учетом упрочняемости материала в процессе нагружения и определения границ упругой области и областей ограниченной и развитой упругопластичности.

Цель работы — определение герметизирующей способности уплотни-тельных стыков, содержащих детали с упрочняемыми материалами, путем определения контактных характеристик стыка шероховатых поверхностей в зависимости от параметров упрочнения.

Реализация цели связана с решением следующих задач исследований.

1. Определение критерия пластической деформации с учетом взаимного влияния неровностей.

2. Математическое описание упругопластического контакта на основе диаграммы кинетического индентирования сферой.

3. Учет характеристик упрочняемого материала при упругопластическом внедрении единичной неровности.

4. Определение геометрии контакта при упругопластическом внедрении сферической неровности.

5. Моделирование упругопластического контакта шероховатых поверхностей.

6. Определение герметизирующей способности при упругопластическом деформировании уплотнительного стыка.

7. Сравнение полученных результатов теоретических исследований с опубликованными результатами конечно-элементного анализа и натурного эксперимента.

Объект исследований - стык шероховатых поверхностей уплотнитель-ных соединений.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, полученных автором, подтверждаются опубликованными результатами конечно-элементного анализа и экспериментальных исследований. Научные положения

аргументированы, теоретические результаты работы и выводы подтверждены использованием теорией упругости и пластичности, механики контактного взаимодействия, трибомеханики, теории вероятности, специальных разделов математического анализа, имитационным моделированием.

Научная новизна проведенных исследований.

1. Установлено, что начало пластической деформации отдельной неровности зависит от общего напряженно-деформированного состояния полупространства при внедрении в него жесткой шероховатой поверхности, которое характеризуется приложенным контурным давлением .

2. Внедрение сферической неровности в областях ограниченной и развитой упругопластичности описано с использованием диаграммы кинетического индентирования сферой, важным свойством которой является независимость кривой разгрузки от характера распределения давления на площадке контакта.

3. Впервые аналитически определена экспонента кривой разгрузки, которая определяется эффектами "этк-т/рПе-ир" и относительной величиной внедрения.

4. Для упругопластического тела со степенным законом упрочнения Хол-ломона с известными физико-механическими свойствами пластическая твердость определена методом «двухкратного вдавливания» на основании опубликованных результатов конечно-элементного анализа упругопластического внедрения сферы. Это позволило впервые определять глубину остаточной лунки с учетом характеристик упрочняемого материала.

5. Впервые получены аналитические выражения для описания геометрии контакта (профиля нагруженной лунки), учитывающие одновременное действие эффектов '^пк-т/рПе-ир".

6. Разработанная математическая модель контактирования жесткой шероховатой поверхности с упругопластическим полупространством позволила впервые оценить влияние характеристик упрочнения материала на контактные характеристики и герметизирующую способность уплотнительного стыка.

Практическая ценность работы заключается в том, что на базе проведенных исследований с использованием известных результатов конечно-элементного анализа внедрения сферического индентора в упрочняемое упру-гопластическое полупространство создан современный инженерный метод расчета упругопластической контактной деформации, учитывающий эффекты "зткчп/рПе-ир". Это позволило разработать методики определения контактных характеристик и герметизирующей способности уплотнительного стыка с учетом упрочняемости материалов, которые могут быть использованы при оптимальном проектировании уплотнительных соединений.

По результатам исследований в ОАО «ИркутскНЙИхиммаш» внедрены:

• методика «Определение характеристик упругопластического контакта шероховатых поверхностей»;

• программное обеспечение «8С-ЕРС» по определению герметизирующей способности уплотнительных стыков.

Указанные разработки внедрены также в учебный процесс по магистерскому направлению 150400 - «Технологические машины и оборудование» и для подготовки в аспирантуре по научной специальности 05.02.02. - «Машиноведение, системы приводов и детали машин».

Апробация работы. Результаты и основные положения доложены и обсуждены на: IV и V международных научно-технических конференциях «Проблемы механики и современных машин», г. Улан-Удэ, 2009 и 2012 гг.; международной научной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии», Липецк, 2012г.; XI и XII Всероссийских конференциях с международным участием «Механики XXI веку», Братск, 2012 и 2013 гг.; на Всероссийских научно-технических конференциях «Естественные и инженерные науки -развитию Сибири, Братск, 2008-2013 гг.

Публикации. По результатам работы опубликовано 35 печатных работ, из которых 21 статья, 10 докладов и 4 тезисов докладов. В изданиях, рекомендованных ВАК, опубликовано 14 статей.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, списка литературы. Общий объем работы 135 страниц.

В первой главе приведены общие сведения об различных уплотнитель-ных соединениях для сред с повышенными давлениями и температурами: фланцевых, штуцерных, клапанных, затворах сосудов. Материалами деталей таких соединений являются металлы - стали углеродистые и легированные и цветные металлы и сплавы: латуни, бронзы, алюминиевые, никелевые, и титановые сплавы. Область применения материала определяется комплексом его свойств с учетом необходимой долговечности и его стоимости.

Приведен обзор и анализ методов расчета упругопластической контактной деформации при внедрении сферического индентора.

Во второй главе рассмотрены вопросы, связанные с внедрением сферической неровности в упрочняемое упругопластическое полупространство.

Рассмотрены критерии появления пластических деформаций в приповерхностном слое и на поверхности контакта. Описано контактное взаимодействие сферы с упругопластическим полупространством на основе диаграммы кинетического индентирования, метода подобия деформационных характеристик. Для учета свойств упрочняемого материала использовано понятие пластической твердости, как характеристики сопротивления материала контактной пластической деформации. Проведено сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Третья глава посвящена определению относительной площади контакта, плотности зазоров и герметизирующей способности уплотнительного стыка при внедрении жесткой шероховатой поверхности в упругопластическое полупространство в зависимости от свойств упрочняемых материалов. Приведены примеры использования полученных результатов.

ГЛАВА 1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕРМЕТИЗИРУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ УПЛОТНИТЕЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ С УПРОЧНЯЕМЫМИ МАТЕРИАЛАМИ

1Л. Общие сведения об уплотнительных соединениях

Под уплотнительным соединением подразумеваем совокупность деталей, образующих конструкцию для обеспечения герметичности. Герметичность -это свойство соединений обеспечивать допустимую величину утечки, определяемую из условий нормальной работы оборудования, систем технологических машин, безопасности людей, охраны окружающей среды. Герметизация сред в основном достигается за счет изменения плотности зазоров в стыке шероховатых поверхностей, т.е. за счет «уплотнения» стыка.

При проектировании разъемных уплотнительных соединений используют следующие основные приемы уменьшения утечки [39]:

1. Прецизионная обработка контактирующих поверхностей с целью уменьшения высотных параметров микро- и макрошероховатости.

2. Увеличение деформаций неровностей путем нагружения контакта сжимающими напряжениями или применение пластичных или эластичных материалов.

3. Заполнение зазоров герметизируемой или разделительной средой и воздействия на нее того или иного энергетического фактора (гидростатического давления, электромагнитного поля и т.п.).

Иерархическая структура модель ГУ, как объекта обеспечения надежности может быть представлена схемой

м —* п —* эд ■ —► Д 1 —* УС —* ГУ

Рис. 1.1. Структурная модель ГУ

Низший уровень М образуют материалы, из которых изготавливают детали и покрытия поверхностей. Уровень П составляют поверхности трибосопря-жений. Уровень ЭД образуют функциональные элементы детали, например, выступ или канавка фланца, упругий элемент уплотнительного кольца, оболо-чечный элемент седла и т.п. Уровень Д составляют детали, подвергающиеся на-гружениям или перемещениям, например фланцы, прокладки, штоки, крепежные детали и т.п. Уровень УС совместно с деталями, обеспечивающими метод герметизации составляет ГУ.

Множество точек зрения на конструирование ГУ для работы в конкретных условиях [29, 32, 52, 56, 143 и др.] привели к созданию большого количества конструкций ГУ. По данным [146] в настоящее время в мировом фонде насчитывается свыше 200 тысяч патентов, и их число ежегодно увеличивается на 2 тысячи. Значительная доля патентов (до 15%) приходится на УС, что свидетельствует об определенной неудовлетворенности растущих практических требований существующим разработкам.

Многообразие видов и конструкций УС предполагает их классификацию. Авторы [143] предполагают классификацию УС в соответствии с принципом их действия и отраслевой принадлежностью по классам, подклассам, группам, подгруппам и видам. В работе [13] представлена классификация герметизирующих систем - совокупности материалов, которые используют для герметизации сред, герметизирующих элементов и деталей. Научно-обоснованная классификация, в основу которой заложена иерархия признаков УС, предложена в работах [39]. Она позволяет определить возможные схемы взаимодействия контактирующих деталей, необходимые для определения контактных характеристик трибосопряжений.

Объектом исследований настоящей работы являются фланцевые (рис. 1.2) и штуцерные (рис. 1.3) соединения, затворы трубопроводной арматуры (клапанные уплотнения) (рис 1.4), затворы сосудов и аппаратов высокого давления (рис. 1.5). Многочисленные конструкции указанных УС приведены в [29, 32, 33, 121, 131, 143 и др.].

Рис. 1.2. Фланцевые соединения

/~Л

Н

ГЛ

И

и

Рис. 1.3. Штуцерные соединения

Рис. 1.4. Клапанные уплотнения

б)

д)

Рис. 1.5. Уплотнения сосудов, работающих под давлением

1.2. Материалы деталей уилотнительных соединений

В арматуростроении для деталей УС используется значительное количество разнообразных материалов: углеродистые и легированные стали, цветные металлы и сплавы, прокладочные материалы из металлов и неметаллов (азбест, паронит, графлекс и др).

Для предварительного решения вопроса о выборе материала прокладки иногда используется следующее правило: если произведение давления р

А О

(МПа) на температуру t С превышает 10 , то применяют металлические прокладки. При меньших давлениях применяют как металлические, так и не металлические прокладки [32].

Технология изготовления детали (прокат, отливка, поковка, штамповка) оказывают значительное влияние на свойства материала, поэтому свойства материала необходимо уточнять с учетом условий изготовления детали. Кроме того на свойства поверхностного слоя влияют различные покрытия и модифицированные слои на основе металлов и керамик, обработка поверхностным пластическим деформированием.

Область применения материала зависит от комплекса его свойств и стоимости. В зависимости от условий эксплуатации (давлений, температуры, агрессивности среды) и назначения, основными свойствами могут быть прочность, коррозионная стойкость, жаропрочность, упругость и пластичность. При наличии материалов с одинаковыми свойствами выбирается более дешевый.

При выборе конструкционных материалов прежде всего исходят из их п