АНАЛИЗ ДЕФОРМИРОВАННО-НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МАНЖЕТНЫХ УПЛОТНЕНИЙ ТИХОХОДНЫХ ДЛИННОХОДОВЫХ СТУПЕНЕЙ СЖАТИЯ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 62-97-98

АНАЛИЗ ДЕФОРМИРОВАННО-НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МАНЖЕТНЫХ УПЛОТНЕНИЙ ТИХОХОДНЫХ ДЛИННОХОДОВЫХ СТУПЕНЕЙ СЖАТИЯ

С.С. Бусаров, А.В. Недовенчаный, Р.Э. Кобыльский, Н.Г. Синицын,

К.А. Бакулин, М.Р. Марченко

Актуальность данной работы основана на отсутствии способов расчета и расчетных моделей материала для цилиндропоршневых уплотнений. В данной работе представлен один из способов расчета материала в программе ANSYS V 16.0. В ходе расчетов было проведено исследование зависимости между толщиной кромки манжеты и максимальным напряжением, возникающим в манжетном уплотнении при различном давлении.

Ключевые слова: ресурс, цилиндропоршневые уплотнения, сжатие газа, тихоходная ступень, напряжения.

Предпосылками для получения высоких давлений в одной ступени является уникальное сочетание конструктивных и режимных параметров работы ступени, а именно отношение хода поршня к диаметру цилиндра более 10 и время рабочего цикла 2...4 с [1-2]. Основной особенностью по сравнению с традиционными объектами, применяемыми для получения высоких давлений нагнетания газа, является осуществление сжатия газа в одной ступени до давлений 10 МПа и более, отдельно следует отметить что для сжатия до указанных давлений современным компрессорным агрегатам необходимо 3 и более ступени [3 - 6].

Исследуемым объектом является манжета диаметром 0,05 м, при давлении сжимаемой среды до 10 МПа, ход поршня - 0,5 м.

В настоящее время значительная часть движущихся деталей сопрягается посредством уплотнительных колец и манжет. В качестве одного из материалов для таких уплотнений - манжет служит фторопласт различных модификаций. Данный материал имеет ряд преимеществ в отличие от других материлов, в том числе хорошую износостойкость, возможность работать без дополнительной смазки с коэфифициентом трения порядка 0,1-0,02, а также не оказывает загрязняющего эффекта на перекачиваемую рабочую среду компрессорных агрегатов.

Несморя на достаточно широкое использование этого материала, рекомендации по выбору уплотнений из фтороплата отсутствуют, т.к. до настоящего времени отсутствовали способы расчета и расчетные модели.

Для выполнеия расчета манжетного уплотнения важнейшими параметрами, определяющими работоспособность являются напряжение и деформация. Расчет данных параметров с достаточной степенью точности в настоящее время можно вести в такой программе, как ANSYS V 16.0. [7].

В ходе проведения расчета принято гидравлическое давление в каждой точке поверхности манжеты как постоянная величина. Вектор действия гидравлического давления в каждой точке направлен вдоль нормали к поверхности. Данное давление служит переменной величиной для расчета напряжения и деформации в манжете и по сути является рабочим давлением в цилиндре компрессора. С обратной стороны на манжету действует атмосферная среда - давление Р = 105 Па.

В ходе расчётов было проведено исследование зависимости между толщиной кромки манжеты и максимальным напряжением, возникающим в манжетном уплотнении при различных давлениях. Для всей расчетов были приняты следующие параметры: материал манжеты - Фторопласт 4, коэффициент Пуассона 0,45, Модуль Юнга- 5,5*108 Па, Температура +20 °С, (задана плотностью материала манжеты), диаметр цилиндра 20 мм.

Переменной величиной была толщина кромки манжеты, находящаяся в контакте с цилиндром. Исследование было проведено в диапазоне от 2,0 до 0,1 мм. Чертеж манжеты с указанием размера толщины кромки показан на рис. 1.

Рис. 1. Эксперимент 1 - толщина контакта 2,0 мм

Кроме переменной величины кромки манжеты, в расчеты были проведены для трех вариантов давления:

1-я серия расчетов (табл. 1) - для давления 1,0 МПа (рис. 2);

2-я серия расчетов (табл. 2) - для давления 5,0 МПа (рис. 3);

3-я серия расчетов (табл. 3) - для давления 10,0 МПа (рис. 4).

Ниже в таблицах приведены результаты исследования и зависимости максимального напряжения и деформации манжеты от толщины кромки манжеты для пяти серий давления (рис. 5).

Таблица 1

Полученные данные эксперимента для давления 1МПа_

Предельно допустимое напряжение 50 МПа

Температура 20 С

Давление, МПа 1,0

Толщина пояска трения, мм 2,0 1,5 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

Максимальное напряжение, МПа 19,1 18,87 18,87 15,3 29,31 13,94 12,45 12,65 14,17 22,92 42,42 107,6

Деформация, 10Л-5 м 2,223 2,814 3,842 4,063 4,549 5,291 6,051 7,768 10,8 21,58 45,27 139,1

Рис. 2. Диаграмма зависимостей общей деформации и нормального напряжения от толщины пояска трения (I) при давлении Р = 1,0 МПа

Таблица 2

Предельно допустимое напряжение 50 Мпа

Температура 20 С

Давление, МПа 5,0

Толщина пояска трения, мм 2,0 1,5 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

Максимальное напряжение, МПа 105,2 104,2 104,1 83,51 159,6 76,98 68,75 69,79 78,07 125,2 231,4 586,1

Деформация, 10Л-5 м 12,13 15,36 20,96 22,17 24,82 28,86 33 42,35 58,86 117,6 246,6 757,2

о Н-1- I I I-1

0.5 1 1.5 2 2.5

Напряже ни~ МПа Де формация, 10л-5 м

Рис. 3. Диаграмма зависимостей общей деформации и нормального напряжения от толщины пояска трения (I) при давлении Р = 5,0 МПа

Таблица 3

Полученные данные эксперимента для давления 10МПа_

Предельно допустимое напряжение 50 Мпа

Температура 20 С

Давление, МПа 10,0

Толщина пояска трения, мм 2,0 1,5 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

Максимальное напряжение, МПа 212,9 210,8 210,5 168,8 322,6 155,8 139,1 141,2 157,9 253,1 467,6 1184

Деформация, 10Л-5 м 24,51 31,04 42,37 44,8 50,16 58,33 66,68 85,57 118,9 237,6 498,2 1530

Рис. 4. Диаграмма зависимостей общей деформации и нормального напряжения от толщины пояска трения (I) при давлении Р = 10,0 МПа

Рис. 5. Диаграмма зависимостей общей деформации и нормального напряжения от толщины кромки (I) при давлении для различных

давлений

Для каждого давления существует 4 области зависимости напряжения от толщины кромки (рис. 5):

1. Область, в которой напряжение, возникающее в манжете, обратно пропорционально толщине кромки (1<0,3 мм). В данном диапазоне снижение толщины кромки приводит к увеличению максимального напряжения, возникающего в манжетном уплотнении, а также увеличению деформации объекта.

2. Область нечувствительности - изменение толщины кромки почти не провоцирует возникновение новых напряжений (0,3<1<0,7 мм).

3. Область, в которой происходят резкие скачки напряжений при изменении толщины кромки (0,7<1<1,0 мм). Наличие данного экстремума функции напряжения от геометрического размера объясняется снижением деформации для данного типоразмера (объект перестает деформироваться, вследствие чего напряжение возрастает).

4. Область нечувствительности (l>1,0 мм). В данной области изменение (увеличение) геометрического размера не приводит к снижению напряжения, а остается на постоянном уровне. Деформация в данной области минимальна.

Для давления Р=1,0 МПа диапазон геометрических размеров кромки манжеты должен быть от 0,2 мм и толще.

Для выбранных условий исследования можно сделать вывод, что использование манжеты данного типа при давлении P = 5,0 МПа и P = 10,0 МПа не является возможным в связи с превышением предельно допустимого напряжения материала фторопласт-4, т.к. при любых геометрических размерах напряжения выше 50 МПа.

Список литературы

1. Фотин Б.С. Рабочие процессы поршневых компрессоров: авто-реф. дис. канд. техн. наук. Л.: ЛПИ им М.И. Калинина, 1974. 34 с.

2. Юша В.Л. Системы охлаждения и газораспределения объемных компрессоров. М-во образования и науки Российской Федерации, Омский гос. технический ун-т. Новосибирск: Наука, 2006. 236 с.

3. Юша В. Л., Бусаров С.С. Перспективы создания малорасходных компрессорных агрегатов среднего и высокого давления на базе унифицированных тихоходных длинноходовых ступеней // Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки. 2018. Т. 24. № 4. С. 80-89. DOI: 10.18721/JEST.24408.

4. Yusha V.L., Busarov S.S., Goshlya R.Yu., Nedovenchanyi А.У., Sa-zhin B.S., Chizhikov М.А., Busarov I.S. The experimental research of the thermal conditions in slow speed stage of air reciprocating compressor // International Conference on Oil and Gas Engineering. 2016. P. 297-302.

5. Бусаров С.С., Гошля Р.Ю., Громов А.Ю, Недовенчаный А.В., Бусаров И.С., Титов Д.С. Математическое моделирование процессов теплообмена в рабочей камере тихоходной ступени поршневого компрессора // Компрессорная техника и пневматика. 2016. № 6. С. 6-10.

6. Пластинин П.И. Поршневые компрессоры. Теория и расчет. 3-е изд., доп. М.: Колос, 2006. Том 1. 456 с.

7. Madenci E., Guven I. The Finite Element Method and Applications in Engineering Using ANSYS. DOI: 10.1007/978-1-4899-7550-8.

8. Юша В. Л., Бусаров С. С., Гошля Р.Ю., Недовенчаный А.В. Экспериментальное исследование рабочих процессов тихоходных длинноходо-вых бессмазочных поршневых компрессорных ступеней при высоких отношениях давлений нагнетания к давлению всасывания // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2018. Т.2. №2. С. 13-18.

9. Yusha V.L., Busarov S.S., Nedovenchanyi A.V. Analysis of the operating cycle efficiency of the long-stroke slow stage under thechanging ratio of the piston forward and backward stroke time // AIP Conference Proceedings 2007, 030057 (2018). P. 030057-1 - 030057-6.

431

Бусаров Сергей Сергеевич, канд. техн. наук, доцент, bssi1980@mail. ru, Россия, Омск, Омский государственный технический университет,

Недовенчаный Алексей Васильевич, ассистент, lonewolf_rus88@mail. ru, Россия, Омск, Омский государственный технический университет,

Кобыльский Роман Эдуардович, магистрант, roman. kobilsky@,gmail. com, Россия, Омск, Омский государственный технический университет,

Синицын Никита Григорьевич, бакалавр, sinicin_00mail.ru, Россия, Омск, Омский государственный технический университет,

Бакулин Константин Александрович, бакалавр, konstantin_ bakulin_ 2001@mail.ru, Россия, Омск, Омский государственный технический университет,

Марченко Максим Романович, бакалавр, maksmaks2000@,mail.ru, Россия, Омск, Омский государственный технический университет

ANALYSIS OF THE STRAIN-STRESS STATE OF LIP SEALS OF SLOW-MOVING LONG-STROKE COMPRESSION STAGES

S.S. Busarov, R.E. Kobylsky, A.V. Nedovenchany, N.G. Sinitsyn, K.A. Bakulin, M.R. Marchenko

The relevance of this work is based on the absence of calculation methods and design models of material for cylinder-piston seals. This paper presents one of the methods for calculating the material in the ANSYS V 16.0 program. In the course of the calculations, a study was carried out of the relationship between the thickness of the lip of the cuff and the maximum stress arising in the lip seal at different pressures.

Key words: resource, cylinder-piston seals, gas compression, low-speed stage,

stresses.

Busarov Sergey Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, bssi1980@mail. ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University,

Nedovenchany Alexey Vasilievich, assistant, lonewolf_rus88@,mail.ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University,

Kobylskiy Roman Eduardovich, master, roman. kobilsky@,gmail. com, Russia, Omsk, Omsk State Technical University,

Sinitsyn Nikita Grigorievich, student, sinicin_00mail. ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University,

Bakulin Konstantin Aleksandrovich, student, konstantin_bakulin_2001@mail.ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University,

Marchenko Maxim Romanovich, student, maksmaks2000@mail.ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University