CC BY
19
демпфирующих устройств является пассивной массой ступени РН. Поэтому при выборе оптимальных конструктивных параметров топливного отсека РН необходимо руководствоваться суммарной массой ступени, а не только массой демпфирующих устройств.
Литература
1. Рабинович Б.И. Введение в динамику ракет-носителей КА.-М.: Машиностроение, 1983. - 296 с.
2. Сидоров И.М., Лебедев В.Г., Гончарова Л.Е. Управление движущимися объектами на основе алгоритма с моделью. — М.: Машиностроение, 1981.— 232с.
3. Роговой В.М., Черемных C.B. Динамическая устойчивость КА с жидкостным ракетным двигателем. — М.: Машиностроение, 1975. — 152 с.
4. Трушляков В. И., Сорока A.C. О расчете коэффициентов диссипации в подвижных полостях // Колебания упругих конструкций с жидкостью. - Новосибирск, 1974.- С. 74-77.
5. Трушляков В.И., Сидоров И.М. Выбор конструктивных параметров КА с учетом требований динамики движения на активном участке траектории. // Колебания упругих конструкций. — Новосибирск, 1976. - С. 34-37.
ТРУШЛЯКОВ Валерий Иванович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Автоматические установки».
УДК 62762*23.438.1 О. В. КРОПОТИН
Ю. К. МАШКОВ В. П. ПИВОВАРОВ
Омский государственный технический университет
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
Омский танковый инженерный институт
АНАЛИЗ РАБОТЫ
Й ПРОЕКТИРОВАНИЕ УПЛОТНЕНИЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В БРОНЕТАНКОВОЙ ТЕХНИКЕ
Рассматриваются результаты проектирования уплотнительного элемента герметизирующего устройства, используемого в бронетанковой технике, проведенного с помощью метода численного моделирования
Анализ работы уплотнительных элементов всегда связан со значительными трудностями. В первую очередь, это объясняется отсутствием завершенного комплексного подхода к решению рассматриваемого класса проблем. При проведении подобных исследований приходится решать большое количество частных задач, относящихся к самым различным научным направлениям. В работе предлагается совместить при проведении подобного анализа расчетные и экспериментально-статистические методы. Подобный подход в последнее время находит все более широкое применение.
В качестве объекта исследования нами выбран уплотнительный элемент герметизирующего устройства, используемого в объектах бронетанковой техники (рис. 1). Это устройство кольцевого типа с уп-лотнительным кольцом круглого сечения. Уплот-нительное кольцо выполняется из резины, а защитные кольца из политетрафторэтилена (ПТФЭ). При анализе статистических данных была отмечена недостаточная надежность уплотнительного кольца данного устройства и выявлены основные виды потери
¿mm
Рис. 1. Герметизирующее устройство:
1 - шток (неподвижен);
2 - цилиндр (совершает возвратно-поступательное движение);
3 - плавающий поршень;
4 - уплотнение; А - полость/заполненная газом; В - полость, заполненная жидкостью.
его работоспособности:
1. Появление недопустимых перетечек рабочей жидкости из полости В в полость А.
2. Разрушение уплотнительного кольца (вырывание части материала с поверхности кольца при прямом ходе цилиндра), что в конечном итоге также приводит к недопустимым перетечкам из полости В в полость А.
Для уточнения причин недопустимых перетечек жидкости через герметизирующее устройство и разрушения уплотнительного элемента нами была создана осесимметричная модель устройства и проведены необходимые расчеты с использованием метода конечных элементов. С помощью расчетной модели была получена необходимая информация для анализа работоспособности и ресурса устройства. На каждом этапе нагружения решена задача напряженно-деформированного состояния уплотнительного элемента, получены распределения контактного давленияпо уплотняемой поверхности р (х), произведен расчет градиента контактного давления по уплотняемой поверхности <3р/с1х. Именно последний фактор, как известно, определяет перетечки, связанные с формированием жидкостной пленки, разделяющей поверхности уплотнения и контртел'а.
Как следует из анализа полученных данных, напряженно-деформированное состояние герметизирующего устройства и кривая р(х) практически симметричны (рис. 2). Это объясняется незначительной разницей в давлениях Рд и Рв. Кроме того, в герметизирующем элементе отсутствуют значительные напряжения и деформации, которые могли бы привести к разрушению уплотнительного кольца.
При движении поверхности цилиндра рассматривались различные режимы трения. При режиме трения с коэффициентом трения 0,02 (гранично-жидкостное и жидкостное трение) напряжения и деформации носят умеренный характер: эквивалентные напряжения не превышают 3 МПа (рис. 3)1, а эквивалентные деформации — значения 0,3. При увеличении коэффициента трения характер напряженно-деформированного состояния изменяется. Так, при коэффициенте трения, равном 0,25 (гранично-сухое трение), эквивалентные напряжения локально возрастают до 7,3 МПа, а эквивалентные деформации почти до значения 0,7. При развитей* адгезионных связей в месте контакта при длительной остановке механизма может происходить увеличение начального (пускового) коэффициента трения до 0,8 иболее. При этом в отдельных областях происходит концентрация напряжений и деформаций. Эквивалентные напряжения локально превышают условную прочность при растяженйи (рис. 4), а эквивалентные деформации достигают относительного удлинения при разрыве. Кроме того, возрастает контактное давление за счет сдвиговых деформадий, распределение давления по уплотняемой поверхности изменяется, максимум смещается по направлению к полости, заполненной жидкостью. Как следует из анализа результатов расчета, это может привести к механическому повреждению поверхности уплотнительного кольца и к потере работоспособности герметизирующего устройства в целом. Этот вывод подтверждается данными, полученными в ходе эксплуатации устройства.
При анализе причин возникновения перетечек в статическом положении плавающего порщня,устройства рассматривали следующие: проникновение жидкости
Р, Па
& +
>е> .-к З.Х0 А'*
«V
»4
Ъ
-00015 " 0001 -5 10 0 5 10 0 001 X, м
Рис. 2. Распределение контактного давления по уплотняемой понерхности при коэффициенте трения 0,02: 1 - в статическом состоянии;
2 - в начале прямого хода цилиндра;
3 - в конце прямого хода цилиндра;
4 - в начале обратного хода цилиндра.
Рис. 3. Эквивалентные напряжения для уплотнительного элемента в конце прямого хода цилиндра при коэффициенте трения 0,02.
' На рис. 3-4, 6-7 полость А расположена:над рисунком, полость В - под рисунком.
Рис. 4. Эквивалентные напряжения для уплотнительного элемента в начале прямого хода цилиндра при коэффициенте трения 0,8.
Рис. 5. Новая конструкция герметизирующего устройства: 1 - направляюще-уплотнительное кольцо;
2 - направляющее кольцо;
3 ~ плавающий поршень;
4 - резиновый экспандер.
по контактной поверхности уплотнения; диффузионное проникновение через уплотнительное кольцо. Как следует из расчетов, перетечки по поверхности уплотнения, контактирующей с поверхностью поршня, значительно интенсивнее перетечек по поверхности уплотнения, контактирующей с поверхностью цилиндра, и играют, по-видимому, определяющую роль. Рассчитаны перетечки, возникающие за счет диффузии жидкости через уплотнительное кольцо, и установлено, что перетечки через уплотнительное кольцо могут вносить существенный вклад в общий объем перетечек в начале периода хранения устройства. В дальнейшем из-за старения резины преобладающими становятся перетечки по контактной поверхности. Кроме того, путем расчетов с использованием разработанной модели определена зависимость перетечек в рабочем режиме устройства от значения коэффициента трения.
По результатам проведенных расчетов были сформулированы технические требования к устройству в целом, а также к некоторым механическим свойствам материалов, которые использованы в новой конструкции герметизирующего устройства. Новая конструкция герметизирующего устройства была выбрана на основании анализа современных конструкций уплотнений, используемых в аналогичных узлах механизмов и машин (рис. 5).
Для выбора материала направляющего и уплотни-тельного колец нами использовалась новая расчетная модель. С помощью модели проведен анализ напряженно-деформированного состояния уплотнительно-го кольца на различных этапах нагружения, причем исследована возможность использования различных полимерных композиционных материалов. По результатам исследований определены предельные значения некоторых основных физико-механических показателей указанных материалов. Также определена группа материалов, рекомендованных к использованию при изготовлении направляющего и уплотнительного колец. Для сравнения на рис. 6, 7 показаны эпюры эквивалентных деформаций д ля уплотнительного элемента при использовании в модели свойств различных материалов. Как видно из рисунков 6-7, деформации в кольце при использовании материала флубон-20 значительно выше в середине прямого хода цилиндра, чем при использовании материала-Ф4УВ6Г8М2 в конце прямого хода цилиндра. Кроме того, эквивалентные деформации в материале флубон-20 превышают относительное удлинение при разрыве (15%).
Закономерности, полученные с помощью конечно-элементной модели, позволили не только качественно оценить эксплуатационную надежность уплотнительного элемента, но и количественно рассчитать параметры, характеризующие условия функционирования герметизирующего устройствав целом. Некоторые из приведенных количественных оценок ранее получались в результате дорогостоящих экспериментов или использования трудоемких и громоздких ме-I тодик. Проведенные испытания новой конструкции
Рис.6. Эквивалентные деформации для уплотнительного элемента в середине прямого хода цилиндра (материал - флубон-20).
Рис.7. Эквивалентные деформации для уплотнительного элемента в конце прямого хода цилиндра (материал - Ф4УВ6ГВМ2).
герметизирующего устройства подтвердили результаты расчетов, полученных с использованием конечно-элементной модели.
Созданные конечно-элементные модели позволяют быстро и эффективно проводить анализ работы рассмотренных типов уплотнений с получением достаточного для глубокого анализа объема научной информации.
КРОПОТИН Олег Витальевич, кандидат технических наук, доцент кафедры физики Омского государственного техническогауниверситета. МАШКОВ Юрий Константинович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Сибирской автомобильно-дорожной академии. ПИВОВАРОВ Владимир Петрович, начальник научно-исследовательской лаборатории Омского танкового инженерного института.
