CC BY
29
УДК 66.025-987
Погодин Валерий Константинович,
д. т. н., профессор, старший научный сотрудник, АО «ИркутскНИИхиммаш», тел. 8(3952)41-03-36, e-mail: [email protected] Трутаева Валентина Владимировна, ведущий инженер-проектировщик, АО «ИркутскНИИхиммаш», тел. 8(3952)41-05-88, e-mail: [email protected] Трутаев Станислав Юрьевич, к. т. н., заведующий отделом инновационных разработок,
АО «ИркутскНИИхиммаш», тел. 8(3952)410-336, e-mail: [email protected]
О МЕХАНИЗМАХ КОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ДЕТАЛЕЙ БУГЕЛЬНЫХ РАЗЪЕМНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
V. K. Pogodin, V. V. Trutaeva, S. Y. Trutaev
ON THE CONTACT INTERACTION OF HUB SPLIT JOINTS DETAILS
Аннотация. Рассмотрены результаты исследований механизмов контактного взаимодействия деталей бугельных разъёмных соединений. Установлено, что существующие аналитические методологические подходы к исследованию напряженно-деформированного состояния бугельных разъёмных соединений не позволяют учитывать пространственный характер линейно-упругого деформирования деталей, а также многие эффекты работы бугельных разъёмных соединений, их такие как неравномерность распределения контактных давлений по ширине контакта, влияние трения на уплотнительных поверхностях и т. д. Для бугельного разъемного соединения Dу120 Ру32 МПа, установленного на химическом заводе АО «Ангарская нефтехимическая компания», с применением разработанной системы автоматизированного проектирования (САПР) изучен механизм контактного взаимодействия деталей бугельного разъёмного соединения на всех стадиях нагружения. Результаты проведённых численных исследований подтверждены результатами экспериментальных исследований опытного бугельного разъёмного соединения, выполненных на стенде высокого давления АО «ИркутскНИИхиммаш». На основе полученных результатов предложены рекомендации по изменению конструкции бугельного разъёмного соединения путем введения в классическую конструкцию дополнительного ограничительного кольца, наличие которого позволяет ограничить деформации уплотни-тельного кольца в радиальном направлении и обеспечить более оптимальные условия контактного взаимодействия деталей бугельного разъёмного соединения при действии рабочего давления.
Ключевые слова: метод конечных элементов, напряженно-деформированное состояние, герметичность, бугельные разъемные соединения, контактное взаимодействие.
Abstract. The article deals with the results of the research in contact interaction mechanisms of hub split joints details. It was determined that current analytical methodological approaches to the research of hub split joints stress-strain state do not allow to take into account the spatial nature of linear elastic straining of the details and, moreover, a lot of hub split joints operational effects, for example, unevenness of contact pressure distribution across the contacting width, the friction influence on sealing surface etc. For Dу120 Pу32 МPа hub split joint installed at the chemical plant of JSC "Angarsk petrochemical company" the contact interaction mechanism of hub split joints details at all the loading stages was investigated with the help of developed computer-aided design system (CAD). The results of the performed numerical research were confirmed by the results of experimental research of test hub spilt joint that was conducted on the high pressure stand of JSC "IrkutskNIIhimmash". On the basis of these results the recommendations for changing the design of hub split joint were offered. A new model implies adding an extra distance ring to a classical model that allows to limit the straining of sealing ring in the radial direction and provides more optimal conditions of contact interaction of hub split joint details under the operating pressure.
Keywords: finite-element method, stress-strain state, impermeability, hub split joints, contact interaction.
Введение
Бугельные разъемные соединения (БРС) являются одной из разновидностей разъемных соединений, широко применяемых сегодня в различных отраслях промышленности (химия, нефтепереработка, аэрокосмонавтика, судостроение и др.) для герметичного сопряжения отдельных частей трубопроводов, сосудов, аппаратов и т. п. БРС включает в себя несколько деталей, из которых наиболее ответственными являются так называемые бугели, посредством которых осуществляется стяжка сопрягаемых частей оборудования, подлежащего герметизации (рис. 1). Герметичность такого соединения обеспечивается посредством контактного взаимодействия уплотнитель-
ного кольца БРС и концевых частей сопрягаемого оборудования. При этом контактное давление на уплотнительных поверхностях, обеспечивающее требуемый уровень герметичности, должно находиться на уровне не менее (0,75...0,9)со,2 для материала уплотнительного кольца [1].
Одним из наиболее важных вопросов, связанных с герметичностью БРС, является вопрос об обеспечении необходимой оптимальной формы эпюры контактных давлений на уплотнительных поверхностях соединения при эксплуатационных нагрузках. В этой связи актуальным становится исследование механизмов контактного взаимодействия деталей БРС.
Машиностроение и машиноведение
Рис. 1. Типовое бугельное разъемное соединение (БРС): 1 - уплотнительное кольцо; 2 - сектор бугеля;
3 - концевые части труб; 4 - крепежные детали на различных стадиях нагружения
О недостатках существующих подходов и преимуществах МКЭ при проектировании БРС
С учетом того, что существующие аналитические подходы по расчету напряженно -деформированного состояния деталей БРС [2-6] не позволяют учитывать пространственный характер взаимодействия деталей, неравномерность распределения контактных давлений по ширине контакта, влияние трения на уплотнительных поверхностях, целесообразным является применение для этих целей численных методов, например метода конечных элементов (МКЭ) [7]. В отличие от аналогичных исследований, проводимых в отношении фланцевых разъемных соединений [8-13], объем исследований по прочностным расчетам для БРС с использованием МКЭ, и в особенности БРС оборудования высокого давления, весьма ограничен [14-17]. Даже несмотря на то, что 4-й частью стандарта ASME Sec. VIII Div. 2 [6] рекомендуется применять МКЭ, в т. ч. для расчета БРС, в большинстве случаев проводимые исследования в указанной области не носят массового характера и являются исключительно адресными.
О применяемых средствах исследования
напряженно-деформированного
состояния
С учетом изложенного для исследования механизмов контактного взаимодействия деталей БРС с использованием МКЭ в рамках настоящего исследования была разработана собственная система автоматизированного проектирования (САПР), выполненная в виде надстройки над программой COMPASS [18, 19]. Указанная САПР представлена универсальным генератором КЭ-моделей БРС из изопараметрических объемных конечных элементов с переменным числом узлов на ребрах [20, 21], программным модулем формирования условий контактного взаимодействия деталей БРС, программным модулем формирования требуемых для расчета матриц и векторов, а также
программным модулем решения контактной задачи.
При расчетных исследованиях контактного взаимодействия деталей БРС применялся специальный контактный конечный элемент, позволяющий рассматривать контактное взаимодействие деталей БРС как задачу о контакте упругих тел с дискретными односторонними связями. Как показано в работах [22-24], применение специфических контактных конечных элементов на участках предполагаемого контактного взаимодействия деталей позволяет учесть множество различных эффектов и в значительной степени приблизить решение задачи к поведению реального объекта, например, за счет учета шероховатостей в зоне контакта, проскальзываний, нелинейного характера деформирования и т. д.
Результаты исследования механизмов
контактного взаимодействия деталей БРС
В качестве объекта для исследований было выбрано БРС Dу120 Ру32 МПа, спроектированное и изготовленное АО «ИркутскНИИхиммаш» [25] для замены фланцевых разъёмных соединений технологических трубопроводов Dу120 Ру32 МПа химического завода АО «Ангарская нефтехимическая компания». С использованием разработанной САПР был исследован механизм контактного взаимодействия всех деталей БРС, и в т. ч. наиболее важного узла, отвечающего за герметичность всего соединения, - зоны взаимодействия концевых частей соединяемых деталей и уплотнительного кольца БРС при отсутствии радиального упора. На рис. 2 продемонстрировано распределение контактных давлений в указанной зоне на различных стадиях нагружения БРС: при затяжке шпилек во время сборки и при действии рабочего давления.
а)
б)
г;
д)
е)
Рис. 2. Исследование механизма контактного взаимодействия деталей БРС: а) схема рассматриваемого узла БРС; б) эпюра контактного давления при затяжке шпилек; в) эпюра контактного давления при давлении 25 % от рабочего; г) эпюра контактного давления при рабочем давлении; д) эпюра контактного давления, характеризующая явление «перекатывания» контакта; е) эпюра контактного давления при потере контакта в первоначальной точке контакта (т. А)
На этапе затяжки шпилек БРС (усилие затяжки каждой из 4 шпилек - 3200 кгс) ширина контакта уплотнительного кольца и концевой части трубы пренебрежительно мала и составляет « 0,2 мм (рис. 2, б), при этом величина контактного давления в т. А составляет «240 МПа.
На второй стадии нагружения, по мере роста давления, уплотнительное кольцо упруго деформируется в направлении конусной поверхности ответной детали, вследствие чего ширина контакта увеличивается и составляет, например, при давлении, равном 25 % от рабочего, «1 мм (рис. 2, в). Наконец, при достижении рабочего давления в трубопроводе за счет упругой деформации уплот-нительного кольца ширина контакта достигает максимальной величины, равной ширине уплотни-тельной поверхности кольца (4 мм), при этом контактное давление перераспределяется, как показано на рис. 2, г, и достигает максимума («360 МПа) в первоначальной точке (т. А) контакта.
С инженерной точки зрения интерес представляет рассмотрение расчетного случая, приводящего к так называемому «перекатыванию» контакта. В рассматриваемой ситуации указанное явление может иметь место при дальнейшем повышении давления, например, до уровня пробного давления Рпр = 1,5 Ру. В этом случае будет иметь место перераспределение контактного давления по ширине контакта, показанное на рис. 2, д. Как видно из рисунка, контактное давление в первоначальной точке контакта (т. А) уменьшается и одновременно с этим возрастает в точке Б, что свидетельствует о «перекатывании» контакта между этими точками. В предельном случае, который может возникнуть, например, при более высокой податливости уплотнительного кольца, контактное давление в т. А будет стремиться к нулю, что при дальнейшем повышении внутреннего давления приведет к потере контакта в этой точке (рис. 2, е).
Для подтверждения соответствия полученного расчетным путем механизма контактного взаимодействия деталей БРС реальным условиям его эксплуатации были изучены результаты экспериментальных исследований БРС на стенде высокого давления АО «ИркутскНИИхиммаш». На рис. 3 показано состояние металла на уплотни-тельной поверхности концевой части трубы после испытания БРС на рабочее и пробное давление. На конусной части детали в зоне ее контактного взаимодействия с уплотнительным кольцом имеется характерный след, ширина которого однозначно свидетельствует о контактировании деталей при
рабочих условиях по схеме, представленной на рис. 2, г, т. е. с шириной контакта 4 мм и неравномерным распределением контактных давлений по ширине контакта. Помимо этого, обнаружены характерные следы скольжения в зоне контакта в осевом направлении, что свидетельствует о наличии перемещений губок уплотнительного кольца относительно уплотнительных поверхностей соединяемых деталей при «перекатывании» контакта (рис. 2, д) вследствие значительной податливости уплотнительного кольца в радиальном направлении.
Рис. 3. След от контакта с уплотнительным кольцом на металле концевой части трубы БРС
Выводы
С учетом полученных результатов расчетных и экспериментальных исследований установлена необходимость ограничения осевых деформаций деталей БРС и, соответственно, смещений уплотнительных поверхностей в зоне контакта. В этой связи рекомендовано внесение изменений в конструкции БРС с целью ограничения радиальных деформаций уплотнительного кольца за счет введения в конструкцию дополнительного ограничительного кольца. Ограничительное кольцо по отношению к уплотнительному кольцу устанавливается с зазором А, величина которого устанавливается расчетным путем и не превышает величину требуемой радиальной деформации уплотнитель-ного кольца при действии рабочего давления.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Погодин В.К. Исследование герметичности уплотнительных соединений при различных распределениях контактных давлений // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2001. № 5. С. 127-131.
2. Продан В.Д. Герметичность разъемных соединений оборудования, эксплуатируемого под
давлением рабочей среды : учеб. пособие. Тамбов : Изд-во ТГТУ, 2012. 280 с.
3. Погодин В.К., Верхозин Н.А., Кузнецов К.А. Разработка новых бугельных разъемных соединений взамен фланцевых // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2011. Спец. вып. С. 140-147.
4. Продан В. Д. Герметичность разъемных неподвижных соединений машин и аппаратов химических производств. М. : МИХМ, 1984. 71 с.
5. ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section VIII, Division I "Rules for Construction of. Pressure Vessels". 2007. 775 p.
6. ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section VIII, Division II "'Alternative Rules for Pressure Vessels". 2007. 978 p.
7. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М. : Мир, 1975. 542 с.
8. Sawa, T. A Stress Analysis of Pipe Flange Connec-tions/T. Sawa, N. Higurashi, H. Akagawa//Journal of Pressure Vessel Technology. 1991. Vol. 113. Pр 497-503.
9. Nishioka, K. Strength of integral pipe flanges: No.1 Stress Distribution in Flange and the Criticism of the Conventional Standards / K. Nishioka, Y. Morita, H. Kawashima // Bulletin of JSME. 1979. Vol. 22. № 174. P. 1705-1711.
10. Dekker, C. J. Improved Design Rules for Pipe clamp connectors/C. J. Dekker, W. J. Stikvoort//International Journals for Pressure Vessels and Piping. 2004. Vol. 81. P. 141-157.
11. Fukuoka, T. Finite Element Analysis of the Thermal and Mechanical Behaviours of a Bolted Joint/T. Fukuoka//Journal of Pressure Vessel Technology. 2005. Vol.127. P. 402-407.
12. Krishna, M. M. A study on the sealing performance of bolted flange joints with gaskets using finite element analysis/M. M. Krishna, M. S. Shunmugam, N. S. Prasad // International Journal of Pressure Vessels and Piping. 2007. Vol. 84. P. 349-357.
13. Bickford J. H. Introduction to the Design and Behavior of Bolted Joints. 1995. 992 p.
14. Bu N. Finite element analysis of contact stress in a full - metallic pipe joint for hydrogen pipelines / N. Bu, N. Ueno, O. Fukuda // EE10 Proceedings of the 5th IASME international conference. Wisconsin. 2010. Vol.5. P.184-189.
15. Mogri M. Deformation and Stresses Generated on The Bolted Flange Joint Assembly and The Gray-loc Clamp Connector at Elevated Temperatures: theses.master of Applied Science/M.Mogri. 2014. 151 p.
16. Rome, J. I., Goyal V. K., Martino N. E. Techniques for Finite Element Analysis of Clamp Band Systems // 50th Aerospace Conference. California, 2009. P. 51-60.
17. Qin Z. Y. Finite element analysis of the clamp band joint/Z. Y. Qin, S. Z. Yan, F. L. Chu//Applied Mathematical Modelling. 2012. Vol. 36. P. 463477.
18. Трутаева В. В., Погодин В. К., Безделев В. В. Применение программной системы COMPASS для расчета машиностроительных деталей и конструкций // Проблемы механики современных машин : материалы III междунар. конф. Улан-Удэ, 2006. Т. 3. С. 82-86.
19. Безделев В.В., Буклемишев А.В. Программная система COMPASS. Руководство пользователя. Иркутск : Изд-во ИУ, 2000. 120 с.
20.Преженцева В.В. Иерархия объемных конечных элементов с переменным числом узлов на ребрах // Вестник Иркут. гос. техн. ун-та. 2004. Т. 20. № 4. С. 179-180.
21.Преженцева В.В., Безделев В.В. Иерархия двумерных и трехмерных конечных элементов с переменным числом узлов в программной системе COMPASS // Вестник НГАСУ. 2005. Т. 8. № 2. С. 71-78.
22. Лукашевич A. A. Решение контактных задач для упругих систем с односторонними связями методом пошагового анализа : дис. ... д-ра техн. наук / А.А. Лукашевич. СПб, 2011. 283 с.
23. Лукашевич А.А, Розин Л.А. О решении контактных задач строительной механики с односторонними связями и трением методом пошагового анализа // Инженерно-строительный журнал. 2013. № 1 (36). С. 75-81.
24.Пыхалов А.А., Милов А.Е. Контактная задача статического и динамического анализа сборных роторов турбомашин. Иркутск : ИрГТУ, 2007. 192 с.
25. О применимости бугельных соединений в оборудовании высокого давления / В. К. Погодин и др. // Химическая промышленность сегодня. 2009. № 8. С. 37-42.
УДК 621.757 Говорков Алексей Сергеевич,
доцент кафедры СМиЭАТ, Иркутский национальный исследовательский технический университет, тел. 8-908-660-89-12, e-mail: [email protected]
Ха Ван Чьен, к. т. н., кафедра машиностроения, Государственный технический университет им. Ле Куй Дона, Вьетнам, г. Ханой, тел. +84 966-360-864, e-mail: [email protected]
РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЯ МАШИНОСТРОЕНИЯ НА ОСНОВЕ ТРЕХМЕРНОЙ МОДЕЛИ
A. S. Govorkov, Ha Van Chien
DEVELOPMENT OF THE AUTOMATED SYSTEM OF DESIGN ENGINEERING PRODUCTS MANUFACTURING TECHNOLOGICAL PROCES BASED ON THREE-DIMENSIONAL MODEL
Аннотация. В статье рассматривается концепция разработки интегрированной системы для проектирования технологических процессов изготовления изделий машиностроения. Исследование относится к области автоматизации технологической подготовки производства при разработке технологического процесса изготовления изделия (деталь, сборочная единица) авиационной техники. Предложен алгоритм автоматизированного анализа трехмерной модели изделия (CAD-модели), выполненной в системе NX, для выявления и формализации значимых параметров изделия. В качестве дискретного элемента детали рассматривается конструктивный элемент, как основа для выбора технологии изготовления изделия в целом. Описана общая функциональная структура разрабатываемой системы, необходимая для формирования маршрута изготовления изделия с учетом производственных технологических данных, структурированных в базе данных и знаний. Практический результат системы при внедрении в производство - снижение цикла технологической подготовки при выпуске изделий авиационной техники нового поколения.
Ключевые слова: образ изделия, автоматизация производства, технологический процесс, база знаний, база данных, CAD-модель.
Abstract. The article deals with the concept of developing an integrated system for the design of technological processes of manufacturing of engineering products. The study relates to the field of automation of technological preparation ofproduction with the development of technological process of the aircraft products (part, subassembly) manufacturing. An algorithm for the automated analysis of three-dimensional product model (CAD model) made in the NX system is proposed for the identification and formalization of the relevant product parameters. As the part's discrete a structural element is considered as the basis for selecting the product manufacturing technology in general. We describe the general functional structure of the system under development, necessary for the formation of the route of manufacturing products based on production process data, structured in a database and a knowledge base. The practical
