CC BY
57
уДК 621.8031.6:62 о. А. МАМАЕВ
О. В. КРОПОТИН А. А. БАЙБАРАЦКИЙ
Омский танковый инженерный институт
Омский государственный технический университет
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия, г. Омск
РАЗРАБОТКА И АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ГЕРМЕТИЗИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ____________________________________
Рассматриваются результаты анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) уплотняющих и силовых элементов радиального герметизирующего устройства (ГУ), с использованием метода конечных элементов. Показано, что разработка конечноэлементных моделей и анализ получаемых эпюр НДС и расчетных зависимостей напряжений и деформаций от характеристик механических свойств элементов и условий эксплуатации ГУ позволяют разрабатывать более надежную конструкцию ГУ с учетом физико-механических свойств материалов.
Ключевые слова: герметизирующее устройство, метод конечных элементов, деформация, напряжение, контактное давление, полимерный композиционный материал.
Разработка трибосистем различного типа, включая металлополимерные ГУ, всегда связана с анализом напряженно-деформированного состояния элементов конструкции. При работе ГУ давление рабочей среды, деформация силовых и уплотняющих элементов вызывают внутренние напряжения и создает контактное давление на сопряженных поверхностях [1—2]. Величина внутренних напряжений и контактного давления непосредственно влияют на работоспособность и срок службы ГУ, поэтому адекватная оценка этих параметров НДС на этапе проектирования изделия имеют весьма актуальное значение для повышения надежности и ресурса машин, в которых применяются герметизирующие устройства.
Обеспечение длительной работоспособности металлополимерных ГУ возможно путем распределения необходимого контактного давления и внутренних напряжений в объеме уплотняющих и силовых элементов в интервале, не превышающем предел прочности полимерного композиционного материала (ПКМ), используемого для изготовления уплотняющих элементов.
Известные методики определения контактного давления позволяют оценить среднее значение давления, часть методик позволяет рассчитать давление в отдельных точках уплотняемой поверхности приближенно [1—2] без учета напряженно-деформированного состояния уплотняющего элемента, а также без учета сил трения между уплотняющим элементом и уплотняемой поверхностью.
Для решения этой задачи весьма эффективным является использование метода конечных элементов (МКЭ) [3 — 5]. Несмотря на то, что этот численный
метод является приближенным, выбрав оптимальные размеры и размещение конечных элементов, можно обеспечить необходимую детализацию расчетной модели и приемлемые по точности результаты вычислений.
В данной работе МКЭ использовали для анализа напряженно-деформированного состояния элементов ГУ и одновременно для определения распределения контактного давления по уплотняемой поверхности. Подобный подход обеспечивает наибольшую информативность исследования и комплексное решение поставленных задач.
МКЭ достаточно подробно описан в литературе и базируется на том, что непрерывно изменяющаяся величина может быть аппроксимирована дискретной моделью, построенной на множестве кусочнонепрерывных функций, которые определены на конечном числе подобластей элементов.
Расчет НДС частиц — элементов с учетом нелинейностей основывается на шаговых и итерационных методах. Эти методы в основном сводятся к представлению процесса деформирования в виде последовательности равновесных состояний, для каждого из которых проводится расчет. При решении поставленной задачи методом конечных элементов использовали программный комплекс ЛЫЯУЯ.
В отсутствие трения нагружение элементов разрабатываемого ГУ является осесимметричным. Поэтому, делая допущение об отсутствии трения, целесообразно перейти от трехмерной задачи к осесимметричной.
В качестве входных параметров для расчетной модели служили:
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010
а)
б)
Рис. 1. Фрагмент геометрической модели ГУ (а - геометрическая модель, б - сетка конечных элементов после нагружения): 1-уплотняемая поверхность; 2-силовой элемент; 3-опорное кольцо; 4-внутренняя поверхность корпуса ГУ; 5-уплотняющий элемент; 6-поверхность крышки ГУ; 7-поверхность контактной площадки
1) геометрическая модель комбинированного герметизирующего устройства [6];
2) механические свойства материалов, из которых выполнены элементы ГУ;
3) граничные условия для расчетной модели.
Фрагмент геометрической модели радиального
герметизирующего устройства [6] показан на рис. 1. Принимая, что ГУ работает при осесимметричном нагружении, геометрическую модель строили для половины осевого сечения ГУ.
При моделировании напряженно-деформированного состояния силового элемента - резинового кольца в качестве реологической использовалась модель Муни-Ривлина. Силовой элемент изготовлен из рези-ны на основе СКН-18, имеющей модуль Юнга Е= 10 МПа и коэффициент Пуассона у= 0,495.
При моделировании НДС уплотняющего элемента, изготовленного из ПКМ на основе ПТФЭ, имеющего модуль Юнга: Е = 380 МПа; коэффициент Пуассона: /= 0,33.
Так как в процессе эксплуатации ГУ уплотняющий элемент испытывает незначительные деформации, эти деформации считали упругими. Поверхности опорного и уплотняющего колец, корпуса и крышки ГУ определялись в расчетной модели как абсолютно жесткие.
В качестве выходных использовались следующие параметры:
— о1, о2, о3 — главные напряжения (ст1 является наибольшим положительным напряжением, о3 — наибольшим отрицательным напряжением);
— осевые напряжения ох, оу, о;;
— напряжения сдвига оху, оуг, ох;;
— эквивалентные напряжения (напряжения по Мизесу):
= д| і [(а1 S2 )2 +(s2-s3)2 +(s3-S1)2 ];
(l)
— контактное давление Рк — нормальное к поверхности напряжение.
Для анализа напряженно-деформированного состояния уплотняющего элемента в условиях трения использовали следующую методику. Рассчитав напряженно-деформированное состояние элементов ГУ в отсутствие трения, определяли смещения узлов их и иу на участках контакта уплотняющ его элемента с другими элементами конструкции. Рассчитанные смещения узлов задавали как граничные условия для другой конечно-элементной модели (рис. 2), которая
Рис. 2. Конечно-элементная модель уплотняющего элемента ГУ с гармоническими элементами PLANE 25
Рис. З. Эпюра эквивалентных напряжений для элементов рассматриваемого устройства
б)
Рис. 4. Распределение контактного давления по уплотняемой поверхности: а-эпюра контактных давлений, б-зависимость контактного давления от координаты
а
e
представляла собой половину сечения уплотняющего элемента с сеткой конечных элементов, идентичной сетке, представленной на рис. 1б.
Наличие трения учитывали, прикладывая к узлам уплотняющей губки силу трения Р;, направленную перпендикулярно плоскости сечения, т.е. сил, касательных к уплотняемой поверхности. Силу трения рассчитывали по закону Кулона. Коэффициент трения на уплотняемой поверхности задавали равным 0,05. На участках контакта уплотняющего элемента с другими элементами конструкции в описываемой модели полагали смещения по оси ; нулевыми (и; = 0), т.к. расчеты показали, что сила трения, действующая на этих участках, много больше силы трения на уплотняемой поверхности.
С использованием расчетной конечно-элементной модели была получена необходимая информация в виде эпюр эквивалентных напряжений в деформируемых элементах ГУ (рис. 3) и эпюр контактных давлений на уплотняемой металлической поверхности (рис. 4) для анализа напряженно-деформированного состояния элементов герметизи-рующего устройства.
Как следует из рис. 3 и 4, напряженно-деформированное состояние уплотняющего элемента характеризуется наличием участков, которые можно характеризовать как концентраторы напряжений, причем значение эквивалентных напряжений достигает величины 39,8 МПа, что может привести к разрушению материала, поскольку предел прочности при для большинства ПКМ на основе ПТФЭ составляет 17^25 МПа. Кроме того, как следует из рис. 4, верхняя часть контактной поверхности уплотняющей губки не создает давления на уплотняемой поверхности. Это приведет к неравномерному износу в процессе трения, а также к значительному изменению распределения контактного давления и параметров напряженно-деформированного состояния. Поэтому целесообразным является изменение некоторых конструктивных параметров элементов ГУ с целью обеспечения контактного давления на всей сопряженной поверхности уплотняющей губки и снижения соотношения между максимальным и минимальным контактным давлением.
С этой целью была увеличена толщина опорного металлического кольца 3 (рис. 1) на 0,2 мм. В результате этого изменения центр сечения силового элемента 2 сместится на 0,2 мм вдоль оси У, при этом изменится распределение контактного давления на сопряженной поверхности. Соответственно, была уточнена конечно-элементная модель и рассчитаны НДС уплотняющего элемента ГУ и распределение контактного давления. Результаты расчетов показывают, что значение эквивалентных напряжений понизилось до величины 30,6 МПа, но оно еще превышает предел прочности ПКМ. В то же время уменьшается доля поверхности уплотняющей губки, не создающей контактное давление на уплотняемой поверхности (рис. 5). С целью устранения этих недостатков потребовалось изменение толщины уплотняющей губки за счет уменьшения высоты Л контактной площадки с 0,4 мм до 0,2 мм (рис. 1). С использованием уточненной, таким образом, конечноэлементной модели, были рассчитаны напряженно-деформированное состояние элементов ГУ и контактные давления. Результаты расчетов показали, что НДС уплотняющего элемента с новыми конструктивными параметрами элементов ГУ характеризуется умеренными значениями интенсивности напряжений (до 7,1 МПа) и наличием значимого контактного давления на всей поверхности уплотняющей губки
б)
Рис. 5. Распределение контактного давления по уплотняемой поверхности с новыми конструктивными параметрами: а-эпюра контактных давлений, б-зависимость контактного давления от координаты
б)
Рис. 6. Распределение контактного давления по уплотняемой поверхности с уменьшенной толщиной уплотняющей губки: а-эпюра контактных давлений, б-зависимость контактного давления от координаты
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010
Рис. 7. Фрагмент геометрической модели уплотняющего элемента с конической контактной площадкой
а)
б)
Рис. 8. Распределение контактного давления по уплотняемой поверхности на: а - эпюра контактных давлений, б - зависимость контактного давления от координаты
(рис. 6). Соотношение максимального и минимального контактных давлений составляет примерно 2, причем эпюра давления близка к линейной. Это позволяет предположить, что в процессе приработки на уплотняющей губке будет сформирована поверхность трения с практически линейной образующей. Как показали расчеты, наличие давления среды до 0,1 МПа заметным образом не влияет на напряженно-деформированное состояние элементов ГУ. Поэтому в дальнейших расчетах давление среды не учитывали.
Полученное по уточненной модели распределение контактного давления на уплотняемой поверхности позволяет прогнозировать, что в процессе приработки износ по длине в радиальном направлении уплотняющей губки будет практически линейно изменяться примерно в 2 раза. Поэтому целесообразно изменить геометрию уплотняющей губки, задав конусность кольцевой контактной поверхности с вершиной конуса на оси вращения элемента (рис. 7). Эпюры эквивалентных напряжений в уплотняющей губке с уточненной геометрией и контактного давления на уплотняемой поверхности, а
также зависимость контактного давления от координаты на уплотняемой поверхности (рис. 8) показывают следующее. Напряженно-деформированное состояние уплотняющего элемента с изменной геометрической формой характеризуется умеренными значениями интенсивности напряжений (до 7,3 МПа) и наличием необходимого контактного давления на всей поверхности уплотняющей губки. Соотношение максимального и минимального контактных давлений составляет примерно 1,3. Это позволяет сделать вывод о том, что разработанная конструкция уплотняющего элемента обеспечивает определенное выравнивание эпюры и распределение контактного давления на уплотняемой поверхности и допустимый уровень внутренних напряжений (от 3,7 МПа до 4,9 МПа), а также достаточный уровень контактного давления на всей уплотняемой поверхности.
С целью прогнозирования параметров напряженно-деформированного состояния уплотняющего элемента в условиях эксплуатации ГУ рассмотрена разработанная конечно-элементная модель с учетом сил трения, задаваемых в виде Р;. Результаты расчета напряженно-деформированного состояния уплотняющей губки с учетом Р; при коэффициенте трения 0,05-0,1 показали, что напряженно-деформированное состояние уплотняющего элемента характеризуется умеренными значениями интенсивности напряжений (до 7,2 МПа) и низкими напряжениями сдвига в плоскостях, перпендикулярных сечению элемента. Следовательно, наличие силы трения не изменяет заметным образом напряженно-деформированное состояние уплотняющего элемента при значениях коэффициента трения до 0,1.
Заключение
Разработан ряд конечно-элементных моделей ГУ, позволивших проанализировать влияние условий нагружения на характеристики напряженно-деформированного состояния элементов герметизирующего устройства и задать геометрию и параметры деталей его конструкции, обеспечивающие длительную работоспособность и герметичность ГУ.
Конструкция ГУ, разработанная с учетом результатов расчета и анализа напряженно-деформированного состояния уплотняющего элемента, обеспечивает допустимый уровень значений внутренних напряжений в условиях хранения и эксплуатации при достаточном для надежной герметизации уровне контактного давления на всей контактной поверхности уплотняющей губки.
Библиографический список
1. Кондаков, Л. А. Уплотнения гидравлических систем / Л. А. Кондаков. — М.: Машиностроение, 1972. — 270 с.
2. Уплотнения и уплотнительная техника: Справочник / Л. А. Кондаков и [др.] // М.: Машиностроение. — 1980. — 228 с.
3. Моделирование физико-химических процессов в неоднородных конструкциях / Б. А. Люкшин и [др.] // Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2001. - 198 с.
4. Опыт прочностного конструирования наполненной полимерной композиции / Б. А. Люкшин и [др.] / / Физическая мезо-механика. — 2000 (3). — № 1. — С. 59-66.
5. Кропотин, О. В. Разработка элементов герметизирующих устройств трибосистем и анализ напряженно-деформированного состояния с использованием метода конечных элементов / О.В. Кропотин, Ю.К. Машков, В.П. Пивоваров//Трение и износ. —2004. — Т. 25, № 5. — С. 461—465.
6. Полимерные композиционные материалы в триботехнике: науч. издание / Ю.К. Машков, и [др.] . — М.: Недра — Бизнесцентр, 2004. — 262 с.
МАМАЕВ Олег Алексеевич, кандидат технических наук, доцент, начальник Омского танкового инженерного института.
КРОПОТИН Олег Витальевич, кандидат технических наук, доцент, заместитель проректора Омского государственного технического университета. БАЙБАРАЦКИЙ Андрей Александрович, инженер,
аспирант кафедры физики Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии.
Адрес для переписки: 644080, г. Омск, пр. Мира, 5.
Статья поступила в редакцию 25.03.2010 г.
© О. А. Мамаев, О. В. Кропотин, А. А. Байбарацкий
УДК 62174 : 669 14 : 669 893 Г. Н. МИННЕХАНОВ
Е. Д. СКУТИН, Е. Н. ЕРЁМИН Р. Г. МИННЕХАНОВ
ООО «Научно-производственная фирма «ЛиКОМ», г. Омск
Омский государственный технический университет
ООО «Супермодификатор
ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕГАЗАЦИИ сплавов»' г Омск
УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ ПОРОШКОВ ТУГОПЛАВКИХ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ ТВЕРДОФАЗНОЙ АКТИВАЦИИ МОДИФИЦИРУЮЩИХ КОМПЛЕКСОВ
Исследованы процессы десорбции газов с частиц ультрадисперсных порошков модифицирующих комплексов при термовакуумной обработке. Представлены зависимости темпа и объема газовыделений из модифицирующих комплексов при их термовакуумной обработке от соотношения исходных компонентов и условий их синтеза. Установлены режимы твердофазной активации ультрадисперсных порошков, обеспечивающих их полную дегазацию.
Ключевые слова: ультрадисперсные порошки, модифицирующий комплекс, десорбция, твердофазная активация.
Ультрадисперсные порошки тугоплавких соединений, обладающие большой удельной поверхностью, характеризуются повышенным содержанием адсорбированных газов, влияющих на инокулиру-ющую способность модифицирующих комплексов [1 — 2]. Удаление адсорбированных газов и создание плакирующего слоя на частицах УДП позволяют решить задачу успешного ввода частиц в расплав и повышения эффективности их модифицирующего действия. Из широкого класса методов активации частиц УДП можно выделить, как наиболее эффективный, метод твердофазной активации при термовакуумной обработке модифицирующих комплексов [3]. Для разработки оптимальных режимов твердофазной активации необходимо изучить процессы десорбции газов с частиц УДП при их термовакуумной обработке.
В данной работе для изучения процессов десорбции применялась термодесорбционная спектроскопия (ТДС). Этот метод способен дать информацию об энергии и характере связи молекул, адсорбированных на поверхности твердого тела, а также позволяет изучать кинетику поверхностных химических реакций, продуктами которых являются газы или пары веществ. Суть метода заключается в измерении
количества вещества десорбирующегося с поверхности твердого тела в процессе увеличения его температуры. При этом за счет ускорения медленных реакций можно наблюдать выход их продуктов с некоторым запаздыванием по отношению к выходу продуктов быстрых реакций, что практически неосуществимо в изотермическом режиме.
Для анализа веществ, десорбирующихся с поверхности образцов , был использован статический масс-спектрометр МИ 1201, работающий в режиме фиксированной настройки на исследуемую массовую линию. Отбор пробы для анализа производился из кварцевой ампулы с образцом непрерывно в течение всего опыта, через натекатель. Газы, выделяемые образцом при нагреве со скоростью 60 — 80 0С/мин, постоянно откачивались форвакуумным насосом (давление откачиваемых газов при холодном образце составляла 1х10 — 2 мм. рт. ст.). Температуру образца контролировали термопарой с записью на цифровом вольтметре, а запись интенсивности выбранной массовой линии производилась потенциометром КСП-4.
Образцы представляли собой таблетки из дисперсных металлических и ультрадисперсных неметаллических порошков [4]. Опытным путем было уста-
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
