CC BY
61
УДК 621.001.63: 623.41
Г. А. Хватов, В. Я. Савицкий, А. Ю. Муйземнек
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПОЛИМЕРНОГО УПЛОТНЕНИЯ ШТОКА ИМПУЛЬСНОЙ ТЕПЛОВОЙ МАШИНЫ
Аннотация.
Актуальность и цели. Объектом исследования является полимерное уплотнение штока гидротормозного устройства новой конструкции. Предметом исследования является процесс его функционирования в тепловой импульсной машине. Целью работы является формирование общего подхода к оценке герметичности полости гидротормозного устройства импульсной тепловой машины на этапе проектирования.
Материалы и методы. Исследования процессов функционирования полимерного уплотнения штока новой конструкции выполнены методом конечных элементов.
Результаты. Разработана новая конструкция полимерного уплотнения штока гидротормозного устройства новой конструкции для работы в условиях приложения импульсных нагрузок и реверсивного трения, проведены испытания полимерного материала при одноосном растяжении и сдвиге, идентифицированы параметры его модели, разработана компьютерная модель уплотнительного устройства, выполнено компьютерное моделирование рассматриваемого процесса, позволившее оценить герметичность полости гидротормозного устройства на этапе проектирования.
Выводы. Исследование процесса функционирования полимерного уплотнения новой конструкции, подтвержденное полигонными испытаниями, позволяет сделать вывод о надежном обеспечении герметичности полости гидротормозного устройства и рекомендовать разработанную конструкцию полимерного уплотнения для использования в других конструкциях тепловых импульсных машин, а использованный подход к оценке герметичности считать достаточно универсальным.
Ключевые слова: импульсная тепловая машина, гидротормозное устройство, полимерное уплотнение с упругими элементами, геометрическая модель, конечно-элементная модель, напряжение, деформация, герметичность.
G. A. Khvatov, V. Ja. Savitsky, A. Yu. Muyzemnek
RESEARCH OF IMPULSE HEAT MACHINE’S ROD POLYMERIC PACKING
Abstract.
Background. The object of research is polymeric packing of a rod of a hydrobraking device of a new design. The subject of research is functioning thereof in a heat impulse machine. The article is aimed at formation of a general approach to estimating tightness of a hidrobraking device cavity of a heat machine at the design stage.
Materials and methods. Research of the process of polymeric packing of a rod of a new design was carried out by the finite element method.
Results. The authors developed a new design of polymeric packing of a rod of a hydrobraking device to operate in conditions of impulse loads and reversive friction,
tested the polymeric material at uniaxial tension and shift, identified parameters of the model thereof, developed a computer model of a sealing device, carried out computer modeling of the process under investigation allowing to estimate tightness of the hydrobreaking device cavity at the design stage.
Conclusion. The research of polymeric packing of new design, proved by field experiments, allows to conclude about reliability of ensuring tightness of the hydrobreaking device cavity and to recommend the developed polymeric packing design to use in other designs of heat impulse machines. The authors recommend the used approach to tightness estimation to be considered as a universal one..
Key words: hydrobraking devices, tightness, polyurethane seals, finite element models, tension, deformation, damping effect.
Введение
Неустранимая утечка рабочей жидкости из-под уплотнений штоков гидротормозных устройств (ГТУ) приводит к потере устойчивости конструкций импульсных тепловых машин (ИТМ) и невозможности их дальнейшего применения. Подвижные контактные уплотнения штоков работают в экстремальных условиях, характеризующихся реверсивным трением, импульсным нарастанием давления p рабочей жидкости (рис. 1), высокими скоростями трения v (рис. 2) при граничной смазке уплотняемых поверхностей [1].
Рис. 1. График зависимости изменения давления р рабочей жидкости от времени импульсного воздействия /
Исходя из служебного предназначения уплотнения штоков ГТУ должны удовлетворять следующим требованиям [1]:
- обеспечивать герметичность подвижного соединения в пределах установленного ресурса;
- не вызывать коррозию сопрягаемых деталей и не влиять на изменения качеств рабочей жидкости;
- создавать невысокую силу трения (не более 1500 Н) в соединении с уплотняемыми поверхностями;
- сохранять упругие свойства материала уплотнительных элементов в диапазоне температур окружающей среды от минус 60 до плюс 150...200 °С;
- быть технологичными при изготовлении и легкосъемными при ремонте.
С
к
\
\
\
0 025
0.05 0.075
0 125
0.15
0.175
L С
Рис. 2. График зависимости изменения скорости трения V от времени импульсного воздействия /
1. Новая конструкция полимерного уплотнения с упругими элементами
Особенностью работы ГТУ является то, что возвратно-поступательное движение совершают цилиндры, а штоки остаются неподвижными. Высокое давление рабочей жидкости, воздействующей на уплотнения штоков, возникает только при прямом ходе цилиндров. При обратном ходе реализуется насосный эффект. Традиционно применяемые уплотнительные устройства (УУ) не удовлетворяют перечисленным требованиям. В современных ИТМ конструкция УУ, кроме перечисленных требований, должна обеспечивать демпфирование ударных нагрузок.
Учитывая недостатки известных уплотнительных устройств, была предложена принципиально новая конструкция [2], элементы которой приведены на рис. 3.
Уплотнительное устройство содержит два блока уплотнительных колец, выполненных по сопрягаемым поверхностям в форме усеченного конуса, поджатых набором тарельчатых пружин, которые обеспечивают герметичность уплотнительного элемента (УЭ) в сопряжении со штоком в режимах
длительного хранения и применения ИТМ по прямому предназначению. Компенсация износа рабочих поверхностей полиуретановых колец без потери герметичности обеспечивается взаимным осевым встречным смещением колец и одновременной их радиальной деформацией, что существенно повышает наработку на отказ по сравнению с эксплуатируемыми аналогами.
ПН11 ПВ11 ПН1 ПВ1
Рис. 3. Конструкция предлагаемого уплотнительного устройства: ПН1, ПН11 и ПВ1, ПВ11 - нижние и верхние полиуретановые кольца первого и второго блоков соответственно
Цель данной работы - формирование общего подхода к оценке герметичности полости ГТУ ИТМ при импульсном нарастании давления рабочей жидкости и демпфирования ударных нагрузок на этапе проектирования.
2. Результаты испытаний и идентификации параметров модели полиуретана
Испытаниям были подвергнуты образцы из полиуретана и конструкция УУ в целом. Испытания при одноосном нагружении и сдвиге были проведены на универсальной испытательной машине Р-50 с комплектом регистрирующий аппаратуры (рис. 4). Лабораторные образцы закреплялись в специально сконструированных приспособлениях (рис. 5).
Для описания поведения полимерного материала уплотнительных колец (полиуретана) была выбрана модель гиперупругого материала, связь между напряжениями и деформациями которого описывалась выражением
дЖ дЖ
= — = 2—, (1)
дЕу дСу
где - компоненты второго тензора напряжений Пиола - Кирхгоффа; Ж -упругий потенциал; Еу - компоненты тензора деформаций Лагранжа; Су -
компоненты правого тензора деформаций Коши - Грина.
Результаты испытаний полиуретановых образцов при одноосном нагружении и сдвиге показаны на рис. 6.
Рис. 4. Общий вид машины Р-50 с комплектом регистрирующей аппаратуры
б) в)
Рис. 5. Приспособления для нагружения: а - при осевом сжатии; б - при испытании на сдвиг; в - для тестирования адекватности описания поведения материала с помощью выбранной модели
cd
с
1-4
(U
S
и
<4
&
cd
я
Деформация
Рис. 6. Диаграммы деформирования при одноосном нагружении и сдвиге
После проведения предварительных исследований для описания поведения полиуретана был выбран пятипараметрический упругий потенциал Муни-Ривлина N = 2):
N k 1 1 2 W = 2 akl I- - 3) I - 3) + -к(/з -1) , k+1=1 2
(2)
2 ((о + ао1)
где а# - константы; к =--------------- - объемный модуль; V - коэффициент
1 - 2v
Пуассона; I, ( = 1,2,3) - величины, равные
II = 11 (з )3, 12 = 12 (13 П, 13 =(3 )2; (3)
Ц, ( = 1, 2, 3) - инварианты правого тензора деформаций Коши - Грина,
I1 Cij > 12 2 г- CijCij
I3 = det C„ .
ij
(4)
По экспериментально полученным данным при одноосных нагружении и сдвиге (рис. 6) идентифицированы параметры пятипараметрического упругого потенциала Муни-Ривлина для полиуретана: а10 = 0,447 ГПа; а01 = = -4,39 ГПа; а20 = 8,64 ГПа; а11 = -2,32 ГПа; а02 = 1,46 ГПа. Параметр несжи-
маемости равен Д = — = 4,82 10 10 Па 1. Результаты испытаний и аппрок-к
симации экспериментальных данных показали удовлетворительную согласованность.
Усилия, демпфируемые сборкой нового УУ, оценивались также на универсальной машине Р-50 с помощью специального устройства (рис. 7), представляющего собой прозрачный корпус с измерительной шкалой. Полученные результаты (рис. 8) свидетельствуют о том, что предложенный вариант сборки УУ с двумя разнесенными блоками одинарных тарельчатых пружин
-1
(вариант 2) способен упруго демпфировать силовое воздействие от ударного импульса величиной до 5 кН.
Рис. 8. Диаграммы деформирования полиуретановых УУ при циклическом нагружении: 1 - с одним центральным блоком сдвоенных тарельчатых пружин;
2 - с двумя разнесенными блоками одинарных тарельчатых пружин
Изменение коэффициента трения полиуретановых уплотнительных элементов при скольжении по хромированной поверхности трения, смазанной рабочей жидкостью, описывалось зависимостью
Vc = Vd + (st -Vd )exp|-(n|vr|)} , (5)
где Vc - текущее значение коэффициента трения; Vd - динамический коэффициент трения; Vst - коэффициент трения при страгивании; vr - скорость трения; n = 0,169 - показатель экспоненты.
3. Разработка компьютерной модели процесса функционирования полимерного уплотнения с упругими элементами
При исследовании процесса функционирования полимерного уплотнения использовался лагранжевый подход к описанию движения. В основе ла-гранжевого подхода лежат уравнения сохранения массы, количества движения и внутренней энергии, а также замыкающее эту систему определяющее соотношение [3, 4].
Уравнение сохранения массы имеет вид
р + р div (v )= 0, (6)
где р - плотность; v - вектор скорости.
Уравнение сохранения количества движения:
рх = pg + div (о) , (7)
где х - ускорение; о - тензор напряжений Коши; g - ускорение свободного падения.
Уравнение сохранения энергии:
рй = о :D+рг + V-q , (8)
где й - скорость изменения внутренней энергии; D - тензор деформации скорости; r - интенсивность объемного теплового источника; q - тепловой
поток; V - оператор Гамильтона; «•» - скалярное произведение; «:» - двой-
ное скалярное произведение.
При компьютерном моделировании использовалась программа LS-DYNA, при создании компьютерной модели в качестве препроцессора использовался ANSYS/Workbench, в качестве постпроцессора - LSPREPOST.
В основе используемой в LS-DYNA пространственной дискретизации лежит метод конечных элементов, в основе временной дискретизации - центральная дифференциальная схема интегрирования второго порядка точности.
Пространственная дискретизация уравнения сохранения количества движения предполагает переход от решения дифференциального уравнения (7) к решению уравнения
J (рх - pg - div (о ))• Ф dv = 0 (9)
V
с соответствующими граничными условиями.
С использованием известных процедур метода конечных элементов решение уравнения (9) сводится к решению дифференциального уравнения
Md = Fi + Fe, (10)
где (1 - вектор узловых ускорений; М - матрица масс; Е;, Ее - векторы внутренних и внешних сил.
Вектор внутренних сил равен
Е = |о : (УФ)<Зу . (11)
V
Вектор Е; получается в результате суммирования внутренних сил для всех элементов, входящих в рассматриваемую систему.
Вектор внешних сил Ег учитывает распределение по поверхности тела нагрузки, объемных сил (таких как сил тяжести), контактных сил, реакций связи и других.
Петля интегрирования дифференциальных уравнений по времени включает следующие операции:
- вычисление узловых нагрузок;
- вычисление узловых ускорений;
- вычисление узловых скоростей;
- вычисление перемещений и приращений перемещений;
- вычисление деформаций в элементах;
- вычисление напряжений в элементах.
Используемые при исследовании процесса функционирования полимерного уплотнения геометрическая и конечно-элементная модели показаны на рис. 9 и 10 соответственно.
Рис. 9. Геометрическая модель исследуемого уплотнения штока
Рис. 10. Конечно-элементная модель уплотнения штока
Конечно-элементная модель полимерного уплотнения имела следующие характеристики:
- количество узлов - 10322;
- количество элементов - 4480;
- количество частей - 17;
- количество контактных пар - 19.
Изменение положения элементов УУ, происходящее под воздействием давления рабочей жидкости и сил трения штока и корпуса, в различные моменты времени показаны на рис. 11.
J
а)
КВ-
J
б)
■ J ■я ■ .,( JSi
г)
Рис. 11. Положения элементов УУ в начале процесса (а) и в моменты времени 5 мс (б), 10 мс (в) и 15 мс (г)
Важно отметить, что с учетом дросселирующего эффекта давление рабочей жидкости на уплотнительное устройство будет существенно снижаться.
4. Результаты компьютерного моделирования и оценки герметичности полости гидротормозного устройства
Анализ распределений, возникающих в уплотнительных элементах радиальных деформаций, показывает (рис. 12), что вначале движения относительно штока внутренние полиуретановые кольца испытывают небольшие (6,7 • 10-4) растягивающие деформации, а наружные кольца - локальные
сжимающие деформации порядка 0,22 • 10-4. По мере нарастания давления рабочей жидкости сжимающим деформациям подвергаются практически все объемы уплотнительных элементов.
J
в)
Рис. 12. Распределение радиальной деформации в полиуретановых уплотнительных элементах в моменты времени: 1,76 мс (а), 3,68 мс (б) и 7,52 мс (в)
Анализ распределений, возникающих в уплотнительных элементах радиальных напряжений, показывает (рис. 13), что по мере смещения уплотнительных элементов под воздействием нарастающего потока рабочей жидкости в них сначала образуются локальные, а затем распространяющиеся по всему объему сжимающие напряжения, достигающие 2,4 МПа. Такого же порядка будут осевые сжимающие напряжения (рис. 14).
Л
Рис. 13. Радиальные напряжения полиуретановых уплотнений
J
Рис. 14. Осевые напряжения полиуретановых уплотнений
Сопоставление графиков изменения давления жидкости и контактных напряжений между внутренними полиуретановыми уплотнительными элементами и штоком в зоне высоких давлений рабочей жидкости от времени (рис. 15) свидетельствует о том, что на протяжении всего процесса функционирования полимерного уплотнения контактные давления превышают давление рабочей жидкости. На основании этого можно сделать вывод о том, что предлагаемая конструкция уплотнения обеспечивает надежную герметичность полости ГТУ ИТМ.
-
k H
" 4
- И' " \
- у w \ \ ,
- V
і 1 0 1 5 2 0 2 Время, мс
Рис. 15. Графики зависимостей давления жидкости (А) и контактных напряжений (В) в полиуретановых уплотнительных элементах от времени
Работоспособность исследуемого варианта (см. рис. 8, вариант 2) УУ по сравнению со штатным сальниковым была проверена в ходе полигонных испытаний [1]. При этом ресурс нового УУ превышал ресурс штатного более, чем в четыре раза.
Заключение
На основании полученных результатом математического моделирования НДС уплотнительных элементов было установлено, что в процессе всего времени действия ударного импульса контактное давление уплотнительных элементов на поверхность штока будет превышать давление рабочей жидкости (рис. 15), обеспечивая надежную герметичность ГТУ.
Список литературы
1. Савицкий, В. Я. Основы и приложения теории прогнозирования ресурса сложных трибосистем : моногр. / В. Я. Савицкий. - Пенза : ПАИИ, 2005. - 326 с.
2. Пат. 2294473 РФ. Уплотнительное устройство / В. Я. Савицкий, И.В. Сухоруков и др.; опубл. 20.07.2012, Бюл. № 6. - 3 с.
3. Hallquist J. O. LS-DYNA Theoretical Manual /J. O. Hallquist. - Livermore, Livermore Software Technology Corporation, 2006.
4. LS-DYNA. Keyword User's Ma nual Volume II. August 2012 Version 971 R6.1.0. -Livermore, Livermore Software Technology Corporation, 2014.
References
1. Savitskiy V. Ya. Osnovy i prilozheniya teorii prognozirovaniya resursa slozhnykh tri-bosistem: monogr. [Fundamentals and applications of the theory of complex tribosys-tem resource forecasting: monograph]. Penza: PAII, 2005, 326 p.
2. Pat. 2294473 Russian Federation. Sealing device. V. Ya. Savitskiy, I. V. Sukhorukov et al. 20 Yul. 2012, bull. no. 6, 3 p.
3. Hallquist J. O. LS-DYNA Theoretical Manual. Livermore, Livermore Software Technology Corporation, 2006.
4. LS-DYNA. Keyword User’s Ma nual Volume II. August 2012 Version 971 R6.1.0. Livermore, Livermore Software Technology Corporation, 2014.
Хватов Геннадий Александрович
заместитель начальника Пензенского артиллерийского инженерного института (Россия, г. Пенза-5)
E-mail: saspect@mail.ru
Савицкий Владимир Яковлевич
доктор технических наук, профессор, кафедра № ІІ, Пензенский артиллерийский инженерный институт (Россия, г. Пенза-5)
E-mail: W.savis@gmail.com
Муйземнек Александр Юрьевич доктор технических наук, профессор, кафедра транспортных машин, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: muyzemnek@yandex.ru
Khvatov Gennadiy Aleksandrovich Deputy Director of Penza Artillery Engineering Institute (Penza-5, Russia)
Savitskiy Vladimir Yakovlevich Doctor of engineering sciences, professor, sub-department № 11, Penza Artillery Engineering Institute (Penza-5, Russia)
MuyzemnekAleksandr Yur'evich Doctor of engineering sciences, professor, sub-department of transport machines, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
УДК 621.001.63: 623.41 Хватов, Г. А.
Исследование процесса функционирования полимерного уплотнения штока импульсной тепловой машины / Г. А. Хватов, В. Я. Савицкий, А. Ю. Муйземнек // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2014. - № 2 (30). - С. 113-126.
