CC BY
40
Савицкий В.Я. , Семенов А.А., Сухорукова И.А. КОНЦЕПЦИЯ РАЗРАБОТКИ УПЛОТНИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ДВОЙНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Эффективность импульсных тепловых машин (ИТМ) во многом определяется герметичностью уплотнений штоков гидротормозных устройств (ГТУ). Гидротормозные устройства состоят из отдельно скомпонованных гидравлического тормоза отката и пневматического накатника. Особенностью исследуемых уплотнений является то, что они работают в условиях высокоскоростного трения, высоких поверхностных температур, импульсного воздействия рабочей жидкости. При этом уплотнения должны исключать утечки рабочей жидкости и удовлетворять следующим требованиям:
-сохранять эксплуатационные характеристики в течение длительного времени при соприкосновении с рабочей жидкостью;
-не вызывать коррозионных процессов;
-обладать низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью;
-обладать технологичностью при изготовлении, монтаже и замене на новые.
Известные конструкции сальниковых и воротниковых уплотнений перечисленным требованиям не удовлетворяют, поэтому для их замены было предложено уплотнительное устройство (УУ), защищенное патентом № 2248484 от 20.03.2005 г. Работоспособность данного УУ была подтверждена в ходе стендовых и полигонных ресурсных испытаний.
Уплотнительные устройства должны обеспечивать герметичность ГТУ только при прямом ходе подвижных частей ИТМ (при так называемом откате). При обратном ходе подвижных частей (откатных частей) ИТМ (при так называемом накате) обратное перетекание жидкости в рабочих полостях ГТУ вызывает «насосный эффект», при котором в герметизируемом объеме образуется пониженное давление по сравнению с атмосферным. То есть, функции УУ сводятся к одностороннему действию. Однако в конце наката возникает необходимость демпфирования импульса откатных частей, ударяющихся об ограничитель с финишной скоростью около 1м/с.
С целью обеспечения герметичности и смягчения удара была разработана усовершенствованная конструкция УУ, приведенная на рис. 1.
Рис.1 Уплотнительное устройство:
1 - корпус; 2,6,7 - нажимные кольца; 3,4 - уплотнительные кольца; 5 - развернутые друг к другу основаниями тарельчатые пружины; 8 - разделительное кольцо; 9 - нажимная втулка;
10 - нажимная гайка; 11 - шток; 12 - буферное кольцо
Уплотнительное устройство состоит из корпуса 1, внутри которого размещается буферное кольцо 12, нажимные кольца 2, 7, блок уплотнительных колец 3, 4, разделительное кольцо 8, установленное
между тарельчатыми пружинами 5, которые обеспечивают предварительное поджатие уплотнительных колец 3, 4 в промежутках между импульсными воздействиями и сглаживание пиковых нагрузок рабочей
жидкости на УУ в процессе импульсного воздействия.
Работа уплотнительного устройства заключается в следующем. Под воздействием импульса откатных частей давление рабочей жидкости резко возрастает. При этом жидкость, проникая в зазор между штоком 11 и корпусом уплотнительного устройства 1, воздействует на нажимное кольцо 2, перемещая его в осевом направлении вместе с уплотнительным кольцом 3 относительно штока 11. Конфигурация колец 3 и 4 обусловливает расклинивающий эффект. Кольца 3 и 4 изготовлены из гиперэластичного полиуретана, поэтому под действием возникающей радиальной нагрузки они будут в диаметрально противоположных направлениях прижиматься рабочими поверхностями соответственно к штоку 11 и корпусу 1, препятствуя тем самым дальнейшему проникновению рабочей жидкости из герметизируемого объема. Давление на рабочих поверхностях уплотнительных элементов 3 и 4 изменяется пропорционально давлению рабочей жидкости.
При обратном ходе подвижных частей (в конце наката) происходит утыкание нажимной втулки 9 торцом в ограничитель, смещение её вдоль штока 11 и демпфирование ударной нагрузки за счет упругой деформации кольца 12.
Для оценки напряженно-деформированного состояния уплотнительных элементов 3, 4 и 12, а также
условий герметичности, были проведены соответствующие расчеты.
Вначале проводились расчеты по известной методике [1], направленные на определение закона изменения давления рабочей жидкости в гидравлическом тормозе конкретного изделия. Полученные результаты сведены в табл. 1.
Таблица! Расчетные параметры отката
Длина отката хотк, м Скорость откатных частей , м/с Сила накатника, Н Сила тормоза отката, Н Сила действия на нажимное кольцо FP.M, Н Давление рабочей жидкости рр, ж,МПа
0 0 19740 1500 617,36 0,2373
0,03 10,8 39280 42510 17498,95 6,7262
0,06 12,8 47 620 50150 20643,77 7,9350
0,17 11,0 42610 57290 23583,07 9, 0648
0,30 9,7 41050 59700 24575,07 9,4461
0,39 8,9 40920 59420 24459,82 9,4018
0,47 8,1 41380 57360 23611,69 9,0758
0,54 7,3 42260 56080 23084,87 8,8733
0,60 6,64 40300 1540 634,012 0,2437
0,66 5,67 43920 2110 868, 678 0,3339
0,72 4,96 48110 3020 1243,049 0,4778
0,75 4,45 50520 3820 1572,413 0,6044
0,78 3,86 63110 5040 2075,044 0, 7 97 6
0,81 3,19 56030 7430 3058,452 1,1756
0,95 2,09 58110 10250 4219,291 1,6218
0,86 1,75 59140 12330 5075,481 1,9509
0,87 1,37 60330 15100 6215,767 2,3892
0,88 0,91 61530 18890 7775,952 2,9889
Следующий этап расчета состоял в анализе напряженно-деформиро-ванного состояния (НДС) уплотнительных колец 3 и 4 (рис. 1) и обосновании размеров и физико-механических свойств материала для их изготовления.
3 ^----
Рис. 2 Принципиальная схема работы уплотнительного узла: 1, 2 - уплотнительные кольца; 3 - поверхность корпуса уплотнительного устройства; 4 - поверхность штока
Оригинальность предлагаемой конструкции УУ состоит в том, что эффект одновременного уплотнения поверхности штока и компенсации износа сопряжённого с ним уплотнительного кольца 2 (рис. 2) достигается за счёт упругой деформации этого кольца и его смещения по образующим АВ и ПС от воздействия давления рабочей жидкости РрЖ. Необходимыми условиями герметичности рассматриваемого уплотнительного узла являются: Рупл 1 > Ррж; Рупл 2 > Ррж [2].
В настоящее время в герметологии отсутствуют методики расчёта подобных уплотнений. Приведенный на рис. 2 уплотнительный узел является базовым для разработки аналогичных конструкций уплотнительных устройств одно- и двухстороннего действия. Расчёт НДС уплотнительного узла проводился методом граничных элементов. При выполнении расчёта были приняты следующие допущения (см. рис. 2):
1. Работа уплотнительного элемента 2 осуществляется в условиях упругих деформаций.
2. Расчёт деформаций рассматривался в плоскости.
3. Контактирующие с уплотнительным элементом 2 детали 1 и 4 являются абсолютно жёсткими.
4. Изнашивание уплотнительного кольца 2 в сопряжении с поверхностью штока 4 происходит равномерно.
5. Релаксация материала уплотнительного кольца 2 незначительна.
Основу расчёта составило фундаментальное решение Кельвина и соответствующие для фундаментальных перемещений и поверхностных напряжений выражения:
иП п (т,Я) = - 1 { (3 - 4у) 1п(г) 8и - г,г } ; (1)
8 ж (1 - у) Оу ’
(т Я) = - ' {(1 - 2у)(г, к 8Ц + г п 3кг- г г8]к)+2г гг, пг’ к}, (2)
4ж(1 - у)г у }
где V - коэффициент Пуассона; О - модуль сдвига; г - расстояние между точками т и д; д - точка приложения нагрузки; т - точка поля; 8± ^ - дельта-функция Кронекера.
При решении задачи использовался метод фиктивных нагрузок. Границы АП и ВС рассматриваемого элемента (см. рис. 2) делились на шесть, а АВ и ПС - на восемнадцать равных отрезков. Локальные координаты п и б с центром в середине каждого отрезка направлены соответственно по перпендикуляру
и по касательной к границе. К каждому из N отрезков прикладывались фиктивные нагрузки рП и р1п ,
обусловливающие возникновение контактных напряжений о15 (касательных) и О1п (нормальных). Глобальная система координат располагалась с центром в точке П. Действительные значения о15 , О , и\ , Ып в середине каждого отрезка определялись выражениями:
иП = 'ЕьУ*р+'ЕЬУ» рп;
¡=1 ¡=1
иП = Ъъп*р1 +ЪъппР]„;
¡=1 П=1 (3)
0 = 'Еа^р1+Еа™ рП ;
п=1 п=1
°« =^апзрз +Т#пр ’
п=1 п=1
где ЪШ, ... , Ъ^п и аШ, ... , аг^п - граничные коэффициенты влияния, задаваемые выражениями:
-яеїї
— 0Fi0O
* ¿0 'О I p I
•£ *ond єн HHetfeandu иинэШэиэйэы и (иинэжнсШен) иинеіг хічніьмвіьном HdauG энннэьЛьгоц *iaiiai o£ и çx яоєїгєйидна jq Adei/Msed ou єґіяіго^ одоняігеіинлоігиЛ вин
ЄНИІГЦ * (IAIIAI ç'o = Г ЄООНЄИ ИОНИРіИІГЄЯ О) ЄҐІЯІГО^ ОДОНН0ШОНЄИ И ОіІОЯОН HibHBHdee ЯOИIГЄЯИd^lЄIAIOOЄ(3
iAiHHaed 'А;но dm ou єґіяіго^ ojoaoHetiedAnirou HHHedii ілюїінеи'пиффєом и lÿ J 0 єноооеЛц ілюїінеи'пиффєом ОТ и LJZ є^ної іаієігАґґоіаі o aoHeiedÁHirou єи хнннеігяолодєи 'яоінєіаієігє ьгігґґ noirntfoaodu лэьоед
•e^sedtio ьгігґґ HHHeaodndjetiHH Hiretfedu
/ионяігєдоігд єи XHHHeaosedgoedu 'ieHHtfdoo^ эиэлоиэ ионяігемоіг я нієний^оом - ¿( ех eïfii
z¿(+ Ö+Х z¿(+ Ö+X z¿(+ I v-x
v+x
v+x
z¿í+ Ü+X z¿í+ I v-x
{л~\)мр
I
I
v+x v-x
—Sjouv-----Sjouv
л Л
K+ V+X J Щ- JÍ+ V-x ГЩ
{.А.-\)жр
I
{л-ї)хр
I
- = \б‘х\1Я=1Я
ú+ \v+x ruj(ü+x) + ¿i+ \ v-x ruj(ü-x)-
v+x v-x
—— Sjouv-----------— Sjouv
л Л
{.А.-\)жр
I
яоеїї^
Áz<s<M+*¿ Í£uis)<í + (zj ijsoo-zjAzmsXAZ ~ l)-^
( i z uis - i z soo) í - ( z¿ i z uis + zj i z soo)0 - \)z - zj
(ЛzuisЛzuis)í - (z¿ Ázuis + z¿ Á soo)(>£ - j)
(^^soo+V^uisK-^isoo-V^insXíi-i)^-
■DZ
■DZ
(Z¿[ Á SOO - Z¿[ Á Uis) tí-l¿[ Á SOO (¡ip - £)
( l¿[ Á uis +1¿[ Á soo) tí -1¿[ Á uis (¡ip - £)-
■DZ
■DZ
(£¿[ Л UIS+^ Au\s)t( -]tj i UIS (л-р- £)
Á SOO-ZjjA Uis) í-1¿[Í SOO (¡ip - £)
- a
- CiH
= 7,4
= 7,4
= 7,4
Рис. 3 Эпюры контактных напряжений (Оп ) и перемещений: а - размер ПС = 15 мм; б - размер ПС = 3 0 мм
Анализ полученных результатов показал, что уплотнительные кольца, изготовляемые из материала с модулем Юнга 2,7 МПа могут быть выдавлены в зазоры, если их использовать без предохранительных колец. Для обеспечения условий герметичности, особенно в случае износа, кольца должны иметь предварительное поджатие. Увеличение длины сечения кольца приводит к тому, что половина кольца (с меньшим сечением) вызывает раскрытие стыка и не уплотняет трибосопряжение штока (см. рис. 3). Следовательно, более эффективными являются уплотнительные устройства с секциями узких колец одностороннего действия с установленными между секциями жесткими перегородками.
Зависимость величины деформации 5 блока тарельчатых пружин от нагрузки сжатия N приведена на рис. 4, анализ которой показывает, что при нагружении и разгрузке блока тарельчатых пружин отмечается характерная петля при величине деформации 7 мм (рис. 4), обусловленная формой пружин и
физико-механическими свойствами материала. Деформирование всей сборки УУ показана на рис. 5.
Рис. 4 Деформирование блока тарельчатых пружин
Рис. 5 Деформирование сборки УУ при циклическом нагружении: 1, 2, 3 - циклы нагружения
приведенная на рис.
в
Рис. 6 Схема напряженно-деформированного состояния кольца Для расчета деформации буферного кольца 12 была принята расчетная схе
6. При проведении расчета были приняты следующие допущения:
-корпус 1, нажимная втулка 9 и шток 11 (см. рис. 1) являются абсолютно жесткими;
-буферное кольцо 12 испытывает только продольные деформации ЛЬ вдоль оси штока 11;
-давления рг равномерно распределены по поверхностям кольца и равны по модулю возникающим материале нормальным напряжениям ап.
Результирующая от воздействия рабочей жидкости Пр.ж, скомпенсированного упругими элементами УУ, составит
П = Пр.ж - Пууг ~Птр ,
где Пуу=1400Н - сила упругого сопротивления уплотнительных колец 3,4 и тарельчатых пружин 5 (рис.1); Птр - сила трения УУ о поверхность штока .
В соответствии с законом Гука абсолютная деформация буферного кольца равна
ЫП = М ,
Е
где Е = 3МПа - модуль Юнга материала буферного кольца.
Полученные значения ЛЬ по всей длине отката сведены в табл.2.
Таблица 2 Изменение абсолютной деформации ЛЬ буферного кольца при откате
Длина отката xотк, м Сила трения ПТр , Н Давление рг , МПа Деформация ЛЬ, мм
0 0,382 0 0
0,03 10,831 6,1877 3,09
0,06 12,778 7,3965 3,70
0,17 14,598 8,5263 4,26
0,30 15,212 8, 907 6 4,45
0,39 15,137 8,8633 4,43
0,47 14,616 8,5375 4,27
0,54 14,252 8,3348 4,17
0,60 0,392 0 0
0,66 0,538 0 0
0,72 0,769 0 0
0,75 0,973 0,06594 0,03
0,78 1,284 0,25914 0,13
0,81 1,893 0, 63686 0,32
0,95 2,612 1,08334 0,54
0,86 3,142 1,41244 0,71
0,87 3,848 1,85074 0,93
0,88 4,504 2,45056 1,23
При интенсивной работе ИТМ жидкость в ГТУ нагревается. Это приводит к уменьшению ее плотности и вязкости, а следовательно - к уменьшению гидравлического сопротивления движению откатных частей. При достижении указанными параметрами предельных значений ИТМ теряет устойчивость.
Для оценки эффекта демпфирования с помощью буферного кольца было определено изменение кинетической энергии ЛЕоч подвижных частей ИТМ в конце наката по формуле
2 2 то, то,
ЛЕоч = Ек1 - Ек2 =------------,
2 2
где ЕК1- кинетическая энергия подвижных частей на последнем шаге наката (х=0,03 м), предшествующему утыканию в буфер;
ЕК2 - кинетическая энергия в подвижных частей при утыкании в буфер (х=0);
т = 1236 кг - масса подвижных частей; 01 = 0,36 м/с - скорость подвижных частей на последнем
шаге наката (х=0,03 м), предшествующему утыканию в буфер; о2 = 0,27 м/с - скорость подвижных частей при утыкании в буфер (х=0).
Для приведенных параметров наката абсолютная деформация буферного кольца составила 3,64мм.
Таким образом, в результате проведенных исследований были сделаны следующие выводы:
1.Уплотнительное устройство исключает утечки рабочей жидкости в соединении со штоком гидравлического тормоза по всей длине отката.
2.Буферное кольцо смягчает ударные нагрузки подвижных частей при утыкании в ограничитель без разрушения элементов УУ.
Литература
1. Гордиенко Н.И., Жуков И.И., Осипович Б.Н. Теория и расчет артиллерийских орудий.- Пен-за:ПАИИ,19 67.- 504 с.
2. Савицкий В.Я.Основы и приложения теории прогнозирования ресурса сложных трибосистем: Монография.- Пенза: ПАИИ, 2005.- 326 с.
