CC BY
10
УДК 62-97-82
АНАЛИЗ НАПРЯЖЕНО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАНЖЕТНОГО ЦИЛИНДРОПОРШНЕВОГО УПЛОТНЕНИЯ ПРИ РАЗЛИЧНОМ УГЛЕ РАСКРЫТИЯ
С.С. Бусаров, И.С. Бусаров, А.В. Недовенчаный, Р.Э. Кобыльский, Н.Г. Синицин, Л. А. Муслова, Г.А. Гаглоева, М.Р. Марченко
В данной статье рассмотрена методика моделирования напряженно-деформированного состояния манжетного цилиндропоршневого уплотнения при разном угле раскрытия с помощью программного комплекса расчета конечных элементов ANSYS. В ходе исследований было выявлено, что существует угол раскрытия манжетного уплотнения, при котором утечки газа из рабочей камеры будут минимальными. Образование данного экстремума объясняется смещением рабочих кромок в зависимости от угла раскрытия манжетного уплотнения. Полученные предварительные данные по удовлетворительному совпадению теоретических и ранее проведённых экспериментальных исследований позволяют говорить об адекватности математической модели. В дальнейшем, после дополнительных исследований, разработанная математическая модель позволит на этапе проектирования цилиндропоршневых уплотнений подобрать угол раскрытия, при котором утечки газа из рабочей камеры будут минимальными.
Ключевые слова: манжетное цилиндропоршневое уплотнение, угол раскрытия, напряженно-деформированное состояние, смещение кромок.
Эффективность рабочего процесса компрессорного поршневого агрегата, а в частности тихоходного длинноходового агрегата, в значительной степени зависит от герметичности рабочей камеры. Данный факт обусловлен параметрами рабочего процесса и конструктивными особенностями тихоходного агрегата [1]. Основными факторами влияющими на величину утечек в данном случае является величина перепада давления на уплотнении и время рабочего цикла, которое может составлять 2..4 с. [2]. В предыдущих работах, направленных на экспериментальное определение герметичности рабочей камеры используя различные типы уплотнений (лабиринтное, кольцевое, манжетное) было выявлено, что максимальная герметизация рабочей камеры достигается при использовании, именно, манжетного цилиндропоршневого уплотнения [3]. Последующие работы были направлены на изучение герметичности рабочей камеры используя манжетные уплотнения различной конфигурации, в частности, при разном угле раскрытия и диаметре [4].
Анализируя полученные экспериментальным путем данные о влиянии угла раскрытия цилиндропоршневого уплотнения на герметичность рабочей камеры, было выявлено, что существует экстремум, при котором утечки рабочей среды из камеры сжатия будут минимальные. Для номинального диаметра 20 мм предельный угол раскрытия манжетного уплотнения, при котором достигается максимальная герметизации составляет 115° [4].
Для объяснения образования данного экстремумы были проведены исследования напряженно-деформированного состояния манжетного уплотнения различной конфигурации при помощи программного комплекса ANSYS. Напряженно-деформированное состояние уплотнения оценивалось по следующим показателям: полная деформация манжеты; контактное давление по плоскостям взаимодействия с цилиндром, зона контакта и смещение рабочих кромок манжетного уплотнения. Исследования проводились для манжетных уплотнений высотой 5,5 мм, диаметром 20 мм и переменным углом раскрытия от 100° до 120° с шагом 5° материал -Ф4К15М5.
Постановка задачи. Контактная задача решалась в два этапа. На первом этапе моделировалось предварительное поджатие манжетного уплотнения при установке в цилиндр, образовывалась непосредственная зона контакта шириной - Ь (рис. 1). На втором этапе задавались основные граничные условия (рис. 2). Давление Р1=3 МПа - давление в цилиндре, приложено к условной поверхности "В". Давление Р2=2,25 МПа -давление, создаваемое в зазоре между торцевой стенкой манжетного уплотнения и стенкой канавки, Р2=0,75*Р1, приложено к условной поверхности "С", согласно данным [5, 7]. Давления Рз,Р4=0,75 МПа - давление действующие на нижнюю кромку манжеты, Р3,Р4= Р1*0,2 согласно данным [5, 7].
Шг\
iff
Рис. 1. Установка манжетного уплотнения в цилиндр
A: Static Structural
Static Structural Time: i 23.10.2020 9:29
ANSYS
R16.2
|Л| Fixed'Support [1T| Preswt:.i, MPs J Pressure 2i 2,25 MPa jp] Pressure 3: 0,75 MPa [Г] Pressure 4; 0,75 MP
0,000 10,000 (mm)
ih^HI_____: _
5,000
Рис. 2. Граничные условия
Для решения контактной задачи использовался метод Normal Lagrange [9] для исключения возможности проникновения манжетного уплотнения в тело цилиндра, коэффициент трения задавался 0,2 [6]. Для увеличения области контакта задавался Pinball region с радиусом 2,5 мм. На рис. 3 представлена сеточная модель расчетных элементов. Размер ячейки сетки с учетом производительности компьютера составлял 0,3 мм.
Результаты. Результаты расчетов напряженно-деформированного состояния манжетного уплотнения при углах раскрытия от 100° до 120° показаны на рис. 4, 6 и сведены в графиках на рис. 5.
Рис. 3. Сеточная модель расчетных элементов
а б
Рис. 4. Полная деформация манжетного уплотнения: а - угол раскрытия 100°;
б - угол раскрытия 120°
Анализируя рис. 4 и 6 мы видим, что с ростом угла раскрытия манжетного уплотнения происходит смещение рабочих кромок к центру цилиндра на расстояние Х1 (рис. 8), в то время как основное тело манжеты смещается к зеркалу цилиндра на условное расстояние Х2 под воздействием давления Р2=2,25 МПа. Полная деформация манжеты Х характеризуется суммой смещения Х=Х]+Х2. Смещение рабочих кромок к центру цилиндра приводит к уменьшению зоны контакта со значения Ь до Ь1. Уменьшение зоны контакта способствует повышению контактного давления, которое и обеспечивает герметизацию рабочей камеры. Данный процесс схематично представлен на рис. 8. Линейность полученных графиков характеризуется законом Гука, который используется в программном комплексе АК8У8 для решения задач связанных с определением напряженно-деформированного состоянии [9].
При достижении угла раскрытия манжетного уплотнения 120° происходит резкий спад герметичности рабочей камеры, согласно экспериментальны данным полученных в работе [4]. Данный результат объясняется, тем, что при угле раскрытия 120° под воздействием давления Р2 происходит критическое смещение рабочих кромок к центру цилиндра, образуется срыв начальной области контакта, данный срыв сопровождается образование зазора между кромками манжетного уплотнения и зеркалом цилиндра, величина зазора ~ 2,5-3,5 мкм, происходит образование новой области контакта, контактное давление падает до 1,5 МПа, герметичность рабочей камеры заметно уменьшается.
Аналогичное исследование провели на дополнительном угле раскрытия манжетного уплотнения - 125°, который не участвовал в эксперименте, для того, чтобы убедится, что угол раскрытия 115° действительно является предельно допустимым углом раскрытия манжетного уплотнения для диаметра цилиндра 20 мм, при котором утечки из рабочей камеры будут минимальными.
К <М) X,. ГШ
Рис. 5. Результаты расчетов напряженно-деформированного состояние манжетных уплотнений: а - полная деформация манжетного уплотнения; в - смещение рабочих кромок; с - изменение зоны контакта в процессе деформации; ( - контактное давление; 1 - угол раскрытия 100°, 2 - угол раскрытия 105°, 3 - угол раскрытия 110°, 4 - угол раскрытия 115°, 5 - угол раскрытия 120°
а б
Рис. 6. Срыв контакта рабочих кромок в процессе деформации при угле раскрытия 120°: а - начальное положения манжеты; б - конечное положение манжеты
а б
Рис. 7. Смещение рабочих кромок в процессе деформации: а - угол раскрытия 100°;
б - угол раскрытия 120°
602
Рис. 8. Схематичное деформирование манжетного уплотнения
а б
Рис. 9. Срыв контакта рабочих кромок в процессе деформации при угле раскрытия 125°: а - начальное положения манжеты; б - конечное положение манжеты
При угле раскрытия 125° происходит аналогичный процесс, что и при угле 120°. Под воздействием давления Р2 происходит критическое смещение рабочих кромок к центру цилиндра, образуется срыв изначальной области контакта, данный срыв сопровождается образование зазора между кромками манжетного уплотнения и зеркалом цилиндра, величина зазора ~ 2,9-4 мкм, происходит образование новой области контакта, контактное давление падает до 2,1 МПа. Данное исследование подтверждает, то, что угол раскрытия манжетного уплотнения 115° является предельном допустимым для номинального диаметра цилиндра 20 мм, давления в цилиндре 3 МПа, высоты манжеты 5,5 мм, материала Ф4К15М5.
Заключение. В результате проведенных исследовании, было получено, что с ростом угла раскрытия манжетного уплотнения на герметичность рабочей камеры будет влиять давление Р2, которое действует на условную поверхность "С" (рис. 2). Под воздействием давления Р2 происходит поджатие манжетного уплотнения и смещение рабочих кромок к центру цилиндра. Давление Р2 напрямую зависит от давления в цилиндре, чем больше давление в цилиндре, тем больше свое влияние будет оказывать давление Р2. Герметизация в рабочей камере будет тем больше, чем больше контактное давление. Контактное давление зависит от области контакта, чем меньше область контакта, тем больше контактное давление. При проектировании манжетного уплотнения, для обеспечения наилучшей герметизации рабочей камеры необходимо стремится к уменьшению зоны контакта, путем варьирования углом раскрытия уплотнения. Полученные результаты позволили определить угол раскрытия манжетного уплотнения, при котором утечки имеют наименьшее значение, для номинального диаметра цилиндра 20 мм данный угол составит 115°. Дальнейшие исследования будут направлены на изучения вопроса влияния диаметра манжетного уплотнения и высоты на герметичность рабочей камеры.
Математическая модель подтверждает свою адекватность, результаты согласуются с экспериментальными данными [4], данную математическую модель после проведения дополнительных исследований можно распространить для изучения влияния угла раскрытия манжетного уплотнения на герметичность рабочей камеры для других диаметров цилиндра.
Список литературы
1. Юша В.Л. Бусаров С.С., Недовенчаный А.В., Гошля Р.Ю. Экспериментальное исследование рабочих процессов тихоходных длинноходовых бессмазочных поршневых компрессорных ступеней при высоких отношениях давления нагнетания к давлению всасывания // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2018. Т.2, № 2. С. 13-18. DOI: 10.25206/2588-0373-2018-2-2-1318.
2. Бусаров С.С., Недовенчаный А.В., Буханец Д. И., Щербань К.В. Верификация методики расчета рабочих процессов бессмазочных тихоходных длинноходовых поршневых ступеней высокого давления // Омский научных вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергеическое машиностроение. 2018. Т. 2. С. 19-25. DOI: 10.25206/25880373-2018-2-2-19-25.
3. Бусаров С.С., Бусаров И.С., Титов Д.С. Экспериментальное определение условных зазоров цилиндропоршневых уплотнений компрессорных агрегатов // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2019. Т. 3, № 1. С. 50-56. DOI: 10.25206/2588-0373-2019-3-1-50-56.
4. Бусаров И.С., Недовенчаный А.В., Кобыльский Р.Э., Демин И.С., Соломкин А.А. Экспериментальное определение влияния конструктивных параметров манжетного уплотнения на герметичность рабочей камеры / Техника и технология нефтехимического и нефтегазового производства: материалы 10-й Междунар. научн.-техн. конф. (Россия, Омск, 26-29 февр. 2020 г.). Омск: Изд-во ОмГТУ, 2020. С. 147-148.
5. Пластинин П.И. Поршневые компрессоры. Том 1. Теория и расчет. 3-е изд., доп. М.: Колос, 2006. 456 с.
6. Проектирование и расчет морозостойких подвижных уплотнений / И.Н. Черский, С.Н. Попов, И.З. Гольдшрах. - Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1992. 123 с.
7. 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.
8. Yusha V.L., Busarov S.S., Goshlya R.Yu., Nedovenchanyi А.У., Sazhin 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.
9. Madenci E., Guven I. The Finite Element Method and Applications in Engineering Using ANSYS. DOI: 10.1007/978-1-4899-7550-8.
Бусаров Сергей Сергеевич, канд. техн. наук, доцент, bssi 1980@mail. ru, Россия, Омск, Омский государственный технический университет,
Бусаров Игорь Сергеевич, аспирант, habr86@mail. ru, Россия, Омск, Омский государственный технический университет,
Недовенчаный Алексей Васильевич, ассистент, lonewolf rus88 a mail.ru, Россия, Омск, Омский государственный технический университет,
604
Кобыльский Роман Эдуардович, аспирант, roman.kobilsky@,gmail.com, Россия, Омск, Омский государственный технический университет,
Синицин Никита Глебович, бакалавр, simicin_00@,mail. ru, Россия, Омск, Омский государственный технический университет,
Муслова Любовь Анатольевна, канд. пед. наук, доцент, celezbaramail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский университет МВД,
Гаглоева Анжелика Ефремовна, канд. техн. наук, доцент, gag-la@gmail. com, Россия, Омск, Омский государственный технический университет,
Марченко Максим Романович, бакалавр, maksmaks2000@,mail.ru, Россия, Омск, Омский государственный технический университет
ANALYSIS OF THE STRAIN-DEFORMED STATE OF THE CUP CYLINDER PISTON SEAL
AT DIFFERENT ANGLES OF OPENING
S.S. Busarov, I.S. Busarov, A.V. Nedovenchany, R.E. Kobylsky, N.G. Sinitsin, L.A. Muslova, G.E. Gagloeva, M.R. Marchenko
This article discusses a technique for modeling the stress-strain state of a cylinder-piston seal at different opening angles using the ANSYS finite element calculation software. In the course of the research, it was revealed that there is an opening angle of the lip seal at which gas leakage from the working chamber will be minimal. The formation of this extreme is explained by the displacement of the working edges depending on the opening angle of the lip seal. The preliminary data obtained on the satisfactory coincidence of theoretical andpre-viously conducted experimental studies allow us to speak about the adequacy of the mathematical model. In the future, after additional research, the developed mathematical model will allow at the design stage of cylinder-piston seals to select the opening angle at which gas leakage from the working chamber will be minimal.
Key words: cylinder-piston lip seal, opening angle, stress-strain state, edge displacement.
Busarov Sergey Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, bssi1980@mail. ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University,
Busarov Igor Sergeevich, postgraduate, habr86@,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, postgraduate, roman. kobilsky@,gmail. com, Russia, Omsk, Omsk State Technical University,
Sinitsy Nikita Glebovich, bachelor, simicin_00@,mail. ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University,
Muslova Lyubov Anatolyevna, candidate of pedagogical sciences, docent, celezbaramail. ru, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg University of the Ministry of Internal Affairs,
Gagloeva Anzhelika Efremovna, candidate of technical sciences, docent, gag-la@gmail.com, Russia, Omsk, Omsk State Technical University,
Marchenko Maxim Romanovich, student, maksmaks2000@mail.ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University
УДК 655.2
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ПЕЧАТНЫХ ОТТИСКОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕХНОЛОГИИ ЦИФРОВОГО СКАНИРОВАНИЯ
И.Е. Маркевич, В.В. Ваганов
Несмотря на свои преимущества по сравнению с стандартными методами исследований оттисков и запечатываемых материалов, компьютеризованный метод сканирования применительно к решению проблем полиграфии с надлежащей тщательностью пока еще не апробировался. В статье рассматривается методика, реализованная в виде собственного программного продукта для исследования качества печатного оттиска методом цифрового сканирования.
Ключевые слова: Информационные технологии, допечатные процессы, цифровое сканирование, исследование оттисков, контроль качества печати.
Высокие требования к качеству возлагают на типографию ответственность по его контролю. Основным, являющимся почти стандартом, способом контроля печатных свойств в полиграфии является получение перед первым тиражом продукции пробного оттиска, утверждаемого заказчиком, и являющемся эталоном при дальнейшем производстве тиражей данной продукции.
Главным критерием качества, интересующим клиента, чаще всего, является полное соответствие цветов на оттиске с согласованным ранее эталоном или оригинал макетом. Для этого применяются методы денситометрии и спектрометрии. Контроль качества осуществляется путем добавления на оттиск цветовых шкал и дальнейшим определением цветового порога различения, или разностного порога, — минимального изменения светлоты цвета, которое впервые замечается глазом. Для измерения цветового различия используется показатель ДБ, определяющийся по уравнению (1):
ДБ =^(Ь - Г)2 + (а - а')2 + (Ь - Ь')2 , (1)
где Ь, а и Ь - цветовые координаты в системе Ь*а*Ь.
Для признания оттиска качественным, для большинства заказов, принято считать нормальным величину отклонения, не превышающую 2-3 единицы, при сравнении с цветовыми координатами эталонного образца [1].
Не смотря на широкое распространение, метод денситометрии для контроля качества имеет ряд недостатков. Рассмотрим основные из них.
Дороговизна. Стоимость денситометрического оборудования начинается от несколько десятков тысяч рублей. Большинство типографий, особенно молодые, не могут позволить покупку данного оборудования в необходимом объеме, особенно на начальных этапах своей деятельности. В больших типографиях эта проблема остается из-за большого количества печатных машин и необходимости наличия денситометра на каждой машине.
