CC BY
65
УДК 658.589
В. Я. Савицкий, И. А. Сухорукова, И. В. Сухорукое
МОДЕРНИЗАЦИЯ УПЛОТНИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ В РАМКАХ СЛЕ-ТЕХНОЛОГИЙ
Аннотация. В рамках автоматизированной системы инженерного анализа предложен новый метод создания уплотнительных устройств (УУ), позволяющий в сжатые сроки внедрить высокоэффективные уплотнительные элементы (УЭ). Раскрыты механизмы компьютерного и физического моделирования напряженно-деформированного состояния как отдельных УЭ, так и в целом конструкции УУ. Достоверность предлагаемого метода подтверждена стендовыми испытаниями.
Ключевые слова: уплотнительные устройства, полиуретановые уплотнительные элементы, технологии автоматизированного инженерного анализа.
Abstract. Within the framework of the automated system of the engineering analysis the new method of creation of the sealing devices (SD) is offered, allowing in deadlines to introduce highly effective sealing elements (SE). Mechanisms of computer and physical modelling stress-deformed conditions as separate SE, and as a whole design SD are opened. Reliability of an offered method is confirmed with bench tests.
Keywords: sealing device, polyurethane sealing elements, technologies of the automated system of the engineering analysis.
Введение
Традиционно в качестве уплотнительных элементов для герметизации рабочей жидкости (РЖ) в гидропневматических устройствах (ГПУ) импульсных тепловых машин (ИТМ) используются сальниковые и манжетные (резиновые, кожаные) уплотнительные элементы (УЭ) в различных комбинациях, одним из основных недостатков которых является низкая износостойкость, приводящая к интенсивной утечке РЖ. Чрезмерная утечка РЖ через уплотнения приводит к отказу конструкции ИТМ в целом. Режимы ГПУ характеризуются широким диапазоном динамических нагрузок на узлы трения (УТ), высокими скоростями реверсивного трения (пиковые значения которых превышают 12 м/с), малой длительностью аккумулирования механической энергии (менее 1 с), экстремальными климатическими условиями эксплуатации. Ресурс ГПУ во многом определяется износостойкостью уплотнений штоков. Исходя из служебного назначения, УЭ штоков ГПУ должны удовлетворять следующим требованиям [1]:
- обеспечивать герметичность подвижного соединения в пределах установленного ресурса;
- не вызывать коррозию сопрягаемых деталей и изменение свойств РЖ;
- создавать невысокую силу трения (не более 1500 Н) в соединении с уплотняемыми поверхностями;
- сохранять упругие свойства материала УЭ в установленном диапазоне температур;
- быть технологичными при изготовлении и легкосъемными при ремонте.
Многолетний опыт проектирования и эксплуатации ИТМ показал, что существенное увеличение ресурса подвижных контактных уплотнений што-
ков ГПУ возможно только путем принципиального изменения существующих конструкций УЭ с одновременной заменой асбестосодержащих или резиновых материалов на полимерные с высокими эксплуатационными свойствами. Однако традиционная итерационная схема «разработка - натурные испытания - устранение недостатков - повторные испытания - и т.д.» (до получения ожидаемого результата) может затягивать стадию разработки на годы, обусловливая при этом неоправданные материальные и финансовые затраты. В этой связи перспективными представляются технологии автоматизированного инженерного анализа (СЛ£-технологии), реализация которых способствует решению обозначенной проблемы.
Цель данных исследований состояла в автоматизации разработки конструкции уплотнительных устройств (УУ) с полиуретановыми УЭ.
1 Компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния уплотнительных элементов
Основу разработки новых УУ с заданными эксплуатационными характеристиками в сжатые сроки составил инженерный анализ в цепи обратной связи, предшествующей изготовлению опытной конструкции. Структурная схема предлагаемого метода разработки УУ с полимерными УЭ представлена на рис. 1.
Рис. 1 Структурная схема метода создания нового полимерного УУ
Сущность этапов разработки заключается в следующем.
1. Разработка проекта конструкции. Эскиз, а затем и предпочтительный рабочий проект уплотнения выполнен в системе AutoCAD (рис. 2).
Схема информационного наполнения электронного макета приведена на рис. 3. С использованием CAE среднего уровня Design Space фирмы SAS чертежи уплотнения были преобразованы в Solid-модель и помещены в электронный макет изделия в формате IGS для последующего использования в системах инженерного анализа.
2. Испытание материала уплотнения. Испытанию материала предшествовала процедура выбора модели материала (структуры определяющего соотношения).
1 З 4 5 б Т З 4 5 б Т S
2
2
Рис. 2 Конструкция УУ одностороннего действия: 1, 3, 4 - кольца;
2 - тарельчатые пружины; 5 - упорное кольцо; 6 - обжимное кольцо; 7 - поджимное кольцо; 8 - направляющая втулка
Рис. 3 Информационное обеспечение разработки: 1 - CAD (Auto CAD);
2 - CAE среднего уровня (Design Space); 3 - программа обеспечения регистрации экспериментальных данных; 4 - САЕ верхнего уровня (ANSYS)
Из имеющихся в банке данных моделей ANSYS, априорно подходящих для описания поведения исследуемого материала, выбрана модель гиперэлас-тичного материала:
s.. =—=2 dW
j дБ. дС
(1)
'У У
где $>у - компоненты второго тензора напряжений Пиола-Кирхгоффа;
Ж - упругий потенциал; Еу - компоненты тензора деформаций Лагранжа;
Су - компоненты правого тензора деформаций Коши-Грина.
В последующем инженерном анализе использовался упругий потенциал Муни-Ривлина:
N к г 1 2
V = 2 акІ (І1 - 3) (І2 - 3) + 2к(/з -1) , к+1=1 2
(2)
2 (яю + 0^01)
где а^ - константы; к =-------------------объемный модуль; V - коэффициент
1 - 2v
Пуассона; Iг- ( = 1, 2, 3) - величины, равные
_ 1 _ -2 _ 1
II = II (1з )з, 12 = 12 (1з )-3, 1з =(1з )2 ; (3)
1^ ( = 1, 2, з) - инварианты правого тензора деформаций Коши-Грина:
=1 (
'1 = Су 12 = 2
-сс і, і = аегс„ .
(4)
После проверки несжимаемости материала был принят пятипараметрический потенциал N = 2.
Схема технического обеспечения исследований и разработки уплотнения представлена на рис. 4. Испытания проводились на лабораторной машине Р-50 с использованием специально разработанного приспособления. Для регистрации сил и перемещений использовались встроенный двухкоординатный самописец и внешняя ЭВМ.
Рис. 4 Техническое обеспечение разработки: 1 - испытательная машина Р-50;
2 - приспособление для испытаний образцов на сжатие и сдвиг; 3 - блок регистрации испытательной машины Р-50; 4 - ЭВМ, осуществляющая регистрацию; 5 - рабочая станция, оснащенная СЛБ/СЛМ/СЛЕ;
6 - роботизированный комплекс; 7 - стенд триботехнических испытаний
Образцы в виде кубика со стороной 10 мм испытывались на сжатие (рис. 5,а) и сдвиг (рис. 5,б). Размеры образцов были приближены к размерам сечения натурного кольца УУ с целью минимизации влияния масштабного фактора.
При испытании на сжатие деформации принимали значения: £1 < 0; £2, £3 > 0 . Определение величин деформаций проводилось из условия:
[£1 + £2 + £3 = 0; 1£ 2 =£3.
(5)
При испытании на сдвиг с использованием специального приспособления соблюдалось условие:
£1 = -£2 .
(6)
Рис. 5 Схемы деформации образца: а - при испытании на сжатие; б - при испытании на сдвиг
3. Идентификация параметров определяющего соотношения. Идентификация осуществлена встроенными средствами ЛК8У8. На основании проведенных испытаний были получены следующие значения параметров определяющего соотношения:
ах = 0,з8465з485зЕ +07; а2 = 0,125з41з529Е +07; аз= 0,з17бз47699Б +07;
04 = -0,795з5941з0Е +07; 05 = 0,54з40з4620Е +07.
4. Инженерный анализ уплотнительного устройства. Может реализоваться на нескольких иерархических уровнях. В частности, первый уровень предусматривал нелинейный статический анализ уплотнительного кольца в осесимметричной постановке с целью определения НДС и контактного давления между уплотнительным кольцом и штоком.
Результаты расчета НДС с использованием упругого потенциала Му-ни-Ривлена представлены на рис. 6, демонстрирующем распределение контактных напряжений. Результаты инженерного анализа сохранены в электронном макете в текстовом формате и формате Л№УЗ - форма ЯЗТ.
С целью проверки адекватности описания процессов деформирования и возникающих при этом напряжений в кольцах УУ использовались образец размером 50^50x10 мм, установленный в специальное приспособление (рис. 7), а также его тестовая конечно-элементная модель. Для визуального контроля процессов деформирования образец маркировался сеткой с размером клетки 5x5 мм. Адекватность описания процессов деформирования тестового образца с помощью модели Муни-Ривлена можно видеть на изменяющихся тестовых конечно-элементных моделях (см. рис. 7).
На рис. 8 приведена картина распределения напряжений в исследуемом тестовом образце.
2 Физическое моделирование работы уплотнительных устройств
Исследования проводились на машине Р-50 при нагружении сжатием до величины предельной деформации каждого элемента в отдельности. В качестве исследуемых элементов рассматривались: отдельно взятое сальниковое кольцо; образующие блок наружное и внутреннее полиуретановые коль-
ца; блок развернутых вогнутостями навстречу друг другу тарельчатых пружин либо с таким же расположением установленных внакладку (сдвоенных) пружин.
Рис. 6 Результаты расчета НДС полимерного кольца: а - недеформированная и деформированная сетка; б - распределение радиальных напряжений
АЫЗїй 5 . Б ЭТШ 2 9 2 001 16:30:34 ЬИЗРЬАСЕМЕНТ ТІМЕ=1 /ЕХРАІГОЕБ РомегЭгарЬісз ЕГАСЕТ=1
ГЖ = .004418
*05СА=1 ЗУ =1 *0І5Т=.044783 ЇГ =.025321 2-ВиЕЕЕР.
б)
Рис. 7 Деформация тестового образца: а - физическая модель; б - конечно-элементная модель
Суть исследований сводилась к моделированию поведения каждого элемента, установленного в корпусе УУ, при воздействии осевой нагрузки N. Анализ графиков деформирования сальникового кольца и блока полиуретановых колец показывает (рис. 9), что жесткость сальникового кольца при величине деформации 8 = 5 мм превышает жесткость полиуретанового блока
а)
на порядок. Вместе с тем величина предельной деформации сальникового кольца составляет 5 мм, в то время как полиуретанового - 7,5 мм. Обращает на себя внимание и тот факт, что блок полиуретановых колец деформируется линейно и упруго, без остаточной деформации, а сальниковое кольцо - с остаточной деформацией 2,7 мм. При этом просматриваются признаки релаксации материала сальникового кольца в начальный период снятия нагрузки.
Рис. 8 Напряжения, возникающие в тестовом образце
Рис. 9 Деформирование уплотнительных элементов:
1 - сальникового кольца; 2 - полиуретановой пары колец
Для проведения сравнительных лабораторных испытаний штатной и предлагаемой сборок УУ был изготовлен специальный пластмассовый прозрачный корпус (рис. 10).
Рис. 10 Корпус испытательного устройства
В процессе осевого нагружения изучалось деформирование различных вариантов сборки. Так, для оценки эффективности расположения в УУ блоков тарельчатых пружин рассматривались два варианта. Первый вариант представляла такая сборка УУ, у которой между блоками полиуретановых колец устанавливался блок сдвоенных тарельчатых пружин. Второй вариант отличался тем, что один блок (по одной встречно развернутой тарельчатой пружине) располагался между блоками полиуретановых колец, а второй -со стороны приложения осевой сжимающей нагрузки. Для создания более жестких условий испытаний элементы уплотнительных устройств не смазывались. После трехкратного нагружения полученных сборок было установлено, что первый вариант характеризовался определенной упругостью, хотя после каждого цикла нагружения отмечалась остаточная деформация (рис. 11). Второй вариант сборки обусловливает накапливание остаточной деформации после каждого цикла нагружения (рис. 12). Полученные результаты позволили сделать вывод о предпочтительности установки жесткого упругого элемента между блоками полиуретановых колец, а также о необходимости смазывания УЭ графитовой смазкой перед сборкой УУ.
С учетом результатов предварительных испытаний были проведены сравнительные циклические испытания сальниковых и полиуретановых сборок УУ. Работа сальникового УУ сопровождалась накоплением большой остаточной деформации (рис. 13).
Сравнительная оценка графиков деформирования полиуретановых УУ с одним центральным блоком сдвоенных тарельчатых пружин и двумя разнесенными блоками одинарных пружин показывает (рис. 14) предпочтительность первого варианта сборки, характеризуемого более высокой упругостью перед вторым, который упруго работает в области нагружения до 800 Н.
2 4 6 8 8, мм
Рис. 11 Деформирование полиуретанового УУ с блоком сдвоенных тарельчатых пружин при циклическом нагружении: 1, 2, 3 - циклы нагружения
Рис. 12 Деформирование полиуретанового УУ с двумя блоками одинарных тарельчатых пружин: 1, 2, 3 - циклы нагружения
Рис. 13 Деформирование сальниковых УУ при циклическом нагружении: 1, 2, 3 - циклы нагружения
Рис. 14 Деформирование полиуретановых УУ при циклическом нагружении: 1 - с одним центральным блоком сдвоенных тарельчатых пружин;
2 - с двумя разнесенными блоками одинарных тарельчатых пружин
Оценка эффективности полиуретановых УУ проводилась на специально сконструированном стенде [2]. Цель данных испытаний состояла в экспериментальной проверке адекватности используемых математических моделей, а также в сравнении ресурса штатных сальниковых и предлагаемых полимерных уплотнений. Испытания показали, что ресурс новой конструкции УУ в 3,27 раза превышает ресурс сальникового уплотнения.
Заключение
Автоматизация рутинных операций проектирования, выбора и испытаний материалов, идентификации параметров определяющих соотношений, инженерного анализа вариантов конструкций во многом определяет оперативность разработки конкурентоспособной продукции. Данные исследования показали перспективы предложенного метода создания новых и модернизацию существующих УУ различного функционального назначения без необходимости проведения объемных стендовых и полигонных испытаний ИТМ.
Список литературы
1. Макаров, Г. В. Уплотнительные устройства / Г. В. Макаров. - Л. : Машиностроение, 1973. - 207 с.
2. Савицкий, В. Я. Оценка эффективности замены традиционных узлов трения на полимерные / В. Я. Савицкий и др. // Новые промышленные технологии. -Вып. 4-5. - М. : Минатом, 1999. - С. 65-72.
Савицкий Владимир Яковлевич доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой физики, Пензенский артиллерийский инженерный институт
E-mail: paii08@mail.ru
Сухорукова Ирина Антоновна
преподаватель, кафедра физики, Пензенский артиллерийский инженерный институт
E-mail: paii08@mail.ru.
Сухоруков Игорь Васильевич
кандидат технических наук, преподаватель, кафедра № 3, Пензенский артиллерийский инженерный институт
E-mail: paii08@mail.ru.
Savizkiy Vladimir Jakovlevich a Dr. Sci. Tech., the professor, managing chair physicists, the Penza artillery engineering institute
Sukhorukova Irina Antonovna
the teacher, chair of physics,
the Penza artillery engineering institute
Sukhorukov Igor Vasilevich
a Cand.Tech.Sci.,
the teacher, chair № 3,
the Penza artillery engineering institute
УДК 658.589 Савицкий, В. Я.
Модернизация уплотнительных устройств в рамках С4£'-технологий / В. Я. Савицкий, И. А. Сухорукова, И. В. Сухоруков // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. -2009. - № 1 (9). - С. 151-162.
