Научная статья на тему 'Разработка конструкции герметизирующего устройства с оптимизацией параметров контактного взаимодействия'

Разработка конструкции герметизирующего устройства с оптимизацией параметров контактного взаимодействия Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
148
35
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ОПТИМИЗАЦИЯ / ГЕРМЕТИЗИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО / ФОРМОИЗМЕРЕНИЕ / OPTIMIZATION / SEAL HERMETICALLY DEVICE / FORMING

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Кропотин Олег Витальевич

Рассматривается процедура оптимизации конструктивных параметров герметизирующего устройства в соединении, передающем вращательное движение.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Кропотин Олег Витальевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

DEVELOPMENT THE CONSTRUCTION OF SEAL HERMETICALLY DEVICE WITH OPTIMIZATION THE CONTACT INTERACTION PARAMETERS

Procedure of optimization of constructive parameters of seal hermetically device in the connection, transferring a rotary motion, is considered.

Текст научной работы на тему «Разработка конструкции герметизирующего устройства с оптимизацией параметров контактного взаимодействия»

УДК 621.22-762 +531.43

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ГЕРМЕТИЗИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА С ОПТИМИЗАЦИЕЙ ПАРАМЕТРОВ КОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

©2013 О.В. Кропотин

Омский государственный технический университет

Поступила в редакцию 28.03.2013

Рассматривается процедура оптимизации конструктивных параметров герметизирующего устройства в соединении, передающем вращательное движение.

Ключевые слова: оптимизация, герметизирующее устройство, формоизмерение

Разработка герметизирующих устройств (ГУ) различных типов связана с анализом параметров напряженно-деформированного состояния элементов конструкции и параметров контактного взаимодействия «уплотняющий элемент - уплотняемая поверхность». Значения указанных параметров непосредственно влияют на работоспособность и срок службы ГУ, поэтому адекватная оценка данных параметров на этапе проектирования изделия и оптимизация конструкции по критериям обеспечения требуемой степени герметичности определяют надежность и ресурс машин, в которых применяются герметизирующие устройства [1-4]. Обеспечение длительной работоспособности металлополимерных ГУ возможно путем формирования уровня контактного давления на уплотняемой поверхности, необходимого для заданной степени негерметичности, а также уровня напряжений в объеме элементов ГУ, не превышающего предел прочности материалов, используемых для изготовления элементов ГУ. При выборе конструктивных параметров конструкции ГУ подвижных соединений на этапе проектирования необходимо учитывать изменение герметичности, формы и напряженно-деформированного состояния элементов устройства в процессе эксплуатации. Указанные принципы использованы в работе при проектировании конструкции радиального уплотнения (ГУ) с вращательным движением уплотняемой поверхности, которое защищает полость с рабочей жидкостью от попадания пыли, грязи и воды из окружающей среды.

Объект и методика исследования. В качестве прототипа для разрабатываемой конструкции ГУ выбрана конструкция, примененная в

Кропотин Олег Витальевич, кандидат технических наук, профессор кафедры физики. E-mail: kropotin@mail. ru

объекте, принадлежащем классу многоцелевых гусеничных и колесных машин [5, 6], и модернизированная по критерию равномерности распределения контактного давления по уплотняемой поверхности [2, 7]. В данной работе рассматривается конструкция ГУ (рис. 1), в которой конструктивные параметры изменены относительно прототипа: обеспечивается опирание силового элемента в радиальном направлении (эпюра Рс на рис. 1) только на поверхность уплотняющего элемента и исключено частичное опирание на поверхность корпуса ГУ.

При разработке конструкции ГУ исследовалось пространство параметров, набор пробных точек для которого был сформирован с применением ЛПХ-последовательностей [8, 9]. Метод оптимизации, основанный на применении таких последовательностей, может применяться к исследованию кусочно-непрерывных в пространстве параметров функций. В качестве варьируемых были выбраны параметры а] - ги> (указаны на рис. 1), определяющие эпюру распределения контактных напряжений по уплотняемой поверхности в зоне контакта и уровень внутренних напряжений в силовом и уплотняющем элементах. В качестве параметра а2 использовался тангенс угла, задающего коническую форму контактной площадки 4 (рис. 1). Знак параметра аг задавали в соответствии с рис. 2. Допустимые пределы варьирования параметров (параметрические ограничения): 0,14 мм < < 0,6 мм, -0,08 < аг < +0,08, 0,6 мм < аз < 1,6 мм, 0,6 мм < ?ц< 1,6 мм, 2,0 мм < а5 < 5,0 мм, 1,2 мм < аб < 2,4 мм.

Выбранные критерии качества, по которым осуществлялся выбор конструктивных параметров на этапе начального деформирования и начального этапа эксплуатации:

- Аш - массовый износ уплотняющего элемента;

а) б)

Рис. 1. Фрагмент геометрической модели ГУ: а) геометрическая модель, б) сетка конечных элементов после нагружения: 1 - уплотняемая поверхность, 2 - силовой элемент (резиновое кольцо), 3 - внутренняя поверхность корпуса герметизирующего устройства, 4 - поверхность контактной площадки, 5 - регулировочное кольцо, 6 - уплотняющий элемент; Рк - давление на контактной поверхности, создаваемое уплотняющим элементом, Рс - давление на поверхности уплотняющего элемента, создаваемое силовым элементом; а:- Яг, - варьируемые параметры (Зп - тангенс угла, задающего коническую форму контактной площадки 4)

Последние три критерия из перечисленных характеризуют уровень и эпюру распределения контактного давления по уплотняемой поверхности и определяют герметизирующие свойства уплотнения, которые тем выше, чем больше значения указанных критериев. Следует отметить, что высокий уровень контактных напряжений и, соответственно, высокие значения критерия РЬ приводят к большому износу уплотняющего элемента и снижению герметизирующих свойств устройства в процессе эксплуатации.

Критериальные ограничения выбраны с учетом устоявшихся представлений о механизмах герметизации [1, 10] и имеющихся экспериментальных данных, в том числе по конструкции-прототипу [1, 2, 4-6, 10]: Аш < 30 мг (для назначенного времени эксплуатации 390 часов); Рть/Ртах > 0,7; РЬ > 4103 Пам; А/ а, = 1. В процессе моделирования контролировались значения главных О] и эквивалентных ос (по Мизесу) напряжений в силовом и уплотняющем элементах, а также визуально по конечно-элементной сетке контролировались степень деформации в процессе формоизменения уплотняющего элемента и степень скручивания силового элемента.

В качестве расчетного метода при создании модели устройства выбран метод конечных элементов, а в качестве программного средства - комплекс Для расчетов использовали

осесимметричную модель ГУ. В качестве

Рис. 2. Схема определения знака параметра аг (тангенс угла, задающего коническую форму контактной площадки)

- Рпш/Рщах - отношение минимального и максимального значения контактного давления на уплотняемой поверхности;

интеграл по уплотняемой по-

1

верхности от контактного давления на участках уплотняемой поверхности, на которых значение контактного давления превышает минимальное (по условиям герметизации);

- А1а3 - отношение суммарной длины участков уплотняемой поверхности, на которых значение контактного давления превышает минимальное, к длине уплотняемой поверхности.

материала для изготовления уплотняющего элемента был выбран полимерный композиционный материал (ПКМ), разработанный под руководством профессора Ю.К. Машкова, на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) следующего состава: 84% ПТФЭ, 6% углеродного волокна, 8% скрытокристаллического графита, 2% дисульфида молибдена. Полимерный композиционный материал считали нелинейно-упругим (без остаточных неупругих деформаций). Для силового элемента, выполненного из резины, использовали конечные элементы, для которых реализована функция плотности энергии деформации Муни-Ривлина. Поверхности корпуса герметизирующего устройства, регулировочного кольца и уплотняемой поверхности определялись как абсолютно жесткие.

На каждом этапе расчетов, который характеризуется соответствующим значением пути трения (интервала времени эксплуатации), решали задачу напряженно-деформированного состояния уплотняющего и силового элементов, получали распределение контактного давления по уплотняемой поверхности, выполняли расчет массового износа и параметров формоизменения уплотняющего элемента Учет формоизменения и массового износа в процессе фрикционного взаимодействия проводили по схеме, приведенной в [11, 4]: после определенного количества циклов вращательного движения (интервала времени эксплуатации) уплотняемой поверхности вала изменяли геометрические параметры уплотняющего элемента в соответствии с результатами расчетов линейного износа, полагая величину износа пропорциональной контактному давлению и интенсивности изнашивания на единицу контактного давления I (1/Па). В соответствии с результатами стендовых испытаний, приведенных в работе [5], интенсивность изнашивания изменяли от значения I] = 0,49-10"17 1/Па (процесс приработки) до 12 = 0,22-10"17 1/Па (стационарный режим трения) по достижении массового износа Аш = 5 мг.

Результаты исследования. В соответствии с выбранным алгоритмом были определены пробные точки (16 точек) в пространстве параметров и составлена таблица испытаний. В результате проведенного имитационного моделирования на разработанной конечно-элементной модели определено следующее:

1) критерии РЦ Рщь/Рщах и Л1/а3 на этапе начального деформирования принимают значения, лежащие в следующих диапазонах: 1,0-103 Па-м < РЬ < 11,5 • 103 Пам; 0 < Рт1П/Ртах < 0,76; 0,09 < А/ си < 1;

2) критерий Аш на начальном этапе эксплуатации (время фрикционного взаимодействия

равно 1,7 часа) принимает значения, лежащие в диапазоне: 3,1-Ю"8кг<Аш<40,4-10"8кг;

3) на этапе начального деформирования для всех пробных точек 4,4 МПа < о, < 24,4 МПа (условный предел прочности при растяжении для выбранного материала составляет 25 МПа), 4,4 МПа < ае < 24,4 МПа;

4) в ряде случаев (7 точек) наблюдается высокая степень деформации в процессе формоизменения уплотняющего элемента и (или) высокая степень скручивания силового элемента.

Критериальному ограничению РЬ > 4-103 Пам удовлетворяет 10 из 16-ти точек; критериальному ограничению Л/ а?= 1 удовлетворяет 5 точек. Критериальному ограничению Рть/Ртах > 0,7 удовлетворяет одна точка, которая одновременно удовлетворяет всем критериальным ограничениям, определяемым на этапе начального деформирования. Для данной точки: РЬ=6,2-103 Пам, Л1/аз=\, Рть/Ртах=0,76. Значения напряжений для этой точки равны: Стх = 4,8 МПа сте = 8,1 МПа, деформации в процессе формоизменения уплотняющего элемента и степень скручивания силового элемента незначительны. Данная точка была признана оптимальной по результатам первой итерации оптимизационной процедуры. Для указанной точки значения параметров равны: гц = 0,284 мм, а2 = +0,05, а3 = 1,538 мм, а* = 1,163 мм, а5 = 3,313 мм, аб = 2,175 мм. Поскольку значения параметров аз и а? для оптимальной точки близки к максимальным значениям этих параметров в соответствующих диапазонах варьирования параметров, было проведено исследование трех дополнительных точек, для которых значения указанных параметров выбирались (поочередно и совместно) равными азтах и а7тах соответственно. Во всех случаях значения критериев остались прежними или ухудшились.

Для проведения локального поиска (второй итерационной процедуры) вблизи оптимальной точки был сгенерирован набор из 8 точек, для которых были выбраны следующие диапазоны варьируемых параметров: 0,234 мм < а.1 < 0,324 мм, +0,045 < а2 < +0,055, 1,488 мм < а3 < 1,588 мм, 1,113 мм < гц < 1,213 мм, 3,263 мм < а5 < 3,363 мм, 2,125 мм < аб < 2,225 мм. Для выбранных точек значения критериев в большинстве случаев остались неизменными или незначительно ухудшились. Исключение составили 2 ТОЧКИ, ДЛЯ которых РтшУРщах = 0,34.

Таким образом, точка, выбранная после первой итерационной процедуры, признана оптимальной и для нее проведено имитационное моделирование в соответствии с методикой, описанной выше. Время фрикционного взаимодействия, принятое при моделировании, равно 390 часов, что соответствует пути трения 2800 км, а эквивалентное значение пробега машины

превышает заданный ресурс в 1,4 раза. Шаг, с которым проводили расчеты на имитационной модели и изменяли профиль уплотняющего элемента в зоне контакта, варьировался от 4 до 60 часов. Некоторые результаты, полученные в ходе имитационного моделирования, представлены на рис. 3-5. Для сравнения на рис. 3 приведена зависимость Дт(1:) не только для оптимальной конструкции, но и для конструкции с высоким значением критерия РЬ=8,2-10" Па-м и низким значением критерия Рть/Ртах=0,04.

Рис. 3. Зависимость массового износа уплот-

няющего элемента от времени фрикционного взаимодействия: 1 - оптимальная конструкция;

2 - конструкция со значениями критериев РЬ=8,2-103 Па-м, Р„ш,/Р„,ах=0,04

Как следует из полученных в ходе имитационного моделирования данных, для оптимальной точки наблюдается закономерное (вследствие массового износа и формоизменения на контактной поверхности) снижение значения контактных давлений, что отражается в снижении значений критериев РЬ до 5,6-10" Па-м и РпшЛтах ДО 0,67. Эпюра распределения контактного давления на уплотняемой поверхности (рис. 4) в целом сохраняет свой вид, так же как и профиль контактной поверхности уплотняющего элемента (рис. 5).

Р. МПа

2_5 -1-1-1-1-1-1-1-

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 у,мм

Рис. 4. Зависимость контактного давления на уплотняемой поверхности от осевой координаты

у для оптимальной конструкции: 1 - на этапе начального деформирования; 2 - через 390 часов эксплуатации (фрикционного взаимодействия)

Значения напряжений закономерно уменьшились и равны: <^1=5,7 МПа сте = 6,3 МПа, деформации в процессе формоизменения уплотняющего элемента и степень скручивания силового элемента незначительны. Массовый износ в отличие от конструкции со значениями критериев РЬ = 8,2-10" Па-м и Ртт/Ртах = 0,04 соответствует критериальному ограничению.

Рис. 5. Зависимость радиальной координаты х от осевой координаты у (профиль контактной поверхности уплотняющего элемента) для оптимальной конструкции: 1 - в начале эксплуатации; 2 - через 390 часов эксплуатации (фрикционного взаимодействия)

Выводы: использование методики оптимизации конструкции ГУ с применением метода имитационного моделирования, учетом формоизменения уплотняющего элемента в процессе трения, а также с применением критериев оптимизации, характеризующих контактное взаимодействие, позволило осуществить разработку конструкции герметизирующего устройства, обеспечивающего увеличение назначенного ресурса в 1,4 раза. Представленная методика оптимизации конструкционных параметров ГУ может быть использована при разработке аналогичных устройств (уплотнений).

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 12-08-98022-р_сибиръ_а

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Кондаков, Л.А. Уплотнения и уплотнительная техника / Л. А. Кондаков, A.II. Голубев, В.Б. Оеандер и др. - М.: Машиностроение, 1986. 464 с.

2. Мамаев, O.A. Разработка и анализ напряженно-деформированного состояния элементов герметизирующих устройств с использованием метода конечных элементов / O.A. Мамаев, О.В. Кропотин, A.A. Байбарацкий II Омский научный вестник. 2010. №3(93). С. 31-35.

3. Кропотин, О.В. Разработка элементов герметизирующих устройств трибосистем и анализ их 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.

4. Кропотин, О.В. Методика прогнозирования надежности и ресурса подвижных герметизирующих устройств с учетом формоизменения элементов в процессе фрикционного взаимодействия // Известия Самарского научного центра РАН. 2012. Т. 14, 8. №4(5). С. 1253-1256.

5. Мамаев, О.А. Повышение надежности герметизирующих устройств ходовой части многоцелевых 9. гусеничных и колесных машин: дис. ... канд. техн. наук: 05.02.04, 05.02.01 / Мамаев Олег Алексеевич. -Омск, 2000. 137 с. 10.

6. Машков, Ю.К. Полимерные композиционные материалы в триботехнике / Ю.К. Машков, З.Н. Ое- 11. чар, М.Ю. Байбарацкая, О.А. Мамаев - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2004. 262 с.

7. Патент 2440527 Российская Федерация, МПК БШ 15/00. Герметизирующее устройство / Машков

А А.; заявитель и патентообладатель СибАДИ. № 2010119762/06; заявл.17.05.2010; опубл. 20.01.12, Бюл. № 2.

Соболь, И.М. Выбор оптимальных параметров в задачах со многими критериями / И. М. Соболь, Р. Б. Статников. -М.: Наука, 1981. 110 с. Statnikov, R. A. The Parameter Space Investigation Method Toolkit / R. Statnikov, A. Statnikov. - Artech House, Inc. 2011. 214 p.

Кондаков, ЛА. Уплотнения гидравлических систем /Л. А. Кондаков. -М.: Машиностроение, 1972.240 с. Weber, D. Wear behaviour of PTFE lip seals with different sealing edge designs, experiments and simulation / D. Weber, W. Haas // Sealing Technology. February 2007. P. 7-12.

DEVELOPMENT THE CONSTRUCTION OF SEAL HERMETICALLY DEVICE WITH OPTIMIZATION THE CONTACT INTERACTION PARAMETERS

©2013 O.V. Kropotin Omsk State Technical University

Procedure of optimization of constructive parameters of seal hermetically device in the connection, transferring a rotary motion, is considered.

Key words: optimization, seal hermetically device, forming

Oleg Kropotin, Candidate of Technical Sciences, Professor at the Physics Department. E-mail: kropotin@mail.ru

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.