CC BY
8SEALING OF WORKING LABORATORY CONTAINERS WASHING MACHINES WITH THE AID OF A QUICK-DETACHABLE SHUTTER
Poltava University of Economics and Trade, str. Koval, 3, Poltava, 36014, Ukraine e-mail: porkh-alex@mail.ru
Analysis of designs of sealing units of containers for laboratory washing machine is carried out. The design of containers of these machines for small-scale production is justified. The initial data used as the basis for developing a quick-detachable shutter for sealing the containers of this design are obtained. The method for calculating the impermeability of the sealing unit is suggested. To increase the service life up to repair the sealing unit is modified. Testing and operation of the laboratory washing machines demonstrated the efficiency of operation of the unit and the validity of the use of the calculated dependences.
Key words: quick-detachable shutter, impermeability, container, laboratory washing machine
А.А. Порхунов1, А.И. Порхунов2
УПЛОТНЕНИЕ РАБОЧИХ
КОНТЕЙНЕРОВ
ЛАБОРАТОРНЫХ
СТИРАЛЬНЫХ
МАШИН С ПОМОЩЬЮ
БЫСТРОСЪЕМНОГО
ЗАТВОРА
Полтавский университет экономики и торговли, ул. Коваля, 3, г. Полтава, 36014, Украина e-mail: porkh-alex@mail.ru
Выполнен анализ конструкций узлов уплотнения контейнеров лабораторных стиральных машин. Проведено обоснование конструкции контейнеров этих машин для условий мелкосерийного производства. Получены исходные данные, на основании которых разработан быстросъемный затвор для уплотнения контейнеров данной конструкции. Предложен метод расчета на герметичность узла уплотнения. Для увеличения срока службы до ремонта проведено совершенствование узла уплотнения. Проведенные испытания и эксплуатация лабораторных стиральных машин подтвердили эффективность работы такого соединения и правомерность применения полученных расчетных зависимостей.
Ключевые слова: быстросъемный затвор, уплотнение, контейнер, лабораторная стиральная машина
УДК 66.5
Alexander A. Рогк1шпоч Alexander I. Pоrkhunov
Введение
Качество работы аппаратуры, находящейся под давлением рабочей среды, во многом зависит от герметичности разъемных соединений. Нарушение герметичности снижает экономичность производства вследствие потерь сырья, времени и удорожания услуг и товарной продукции в целом. Это в полной мере относится и к работе узла уплотнения контейнеров лабораторных стиральных машин (ЛСМ) [1]. Данный прибор предназначен для определения моющей и отбеливающей способности синтетических моющих средств (СМС). Этот процесс регламентируется и включает в себя механическую стирку образцов ткани в контейнере при определенной температуре, максимальное значение которой может достигать 95 °С.
В роторе [1] размещаются восемь контейнеров. Суммарное время на подготовку каждого контейнера к работе и размещение его в аппарате в соответствии с требованиями заказчика не должно превышать 15 сек. Оно расходуется на заливку моющего раствора, размещение образца ткани и шести шариков из фторопласта-4 в контейнере, герметичное уплотнение контейнера и установку его в гнездо ротора (размещение в контейнере образца ткани и шариков может быть выполнено заранее). Известно уплотнение рабочих контейнеров ЛСМ с помощью массивной нажимной плиты [2] (рисунок 1).
Рисунок 1. Уплотнение рабочих контейнеров ЛСМ Digital Washing Fastness Tester с помощью нажимной плиты
Недостатком такой конструкции является увеличение габаритов и увеличение массы изделия. Другое конструктивное решение, ранее примененное в ЛСМ [3], состоит из затвора из жесткой штампованной крышки с канавкой под резиновое уплотнение, накидного и поворотного хомутов, с помощью которых обеспечивается герметизация контейнеров. В [3] контейнер также штампованный и снабжен отбортовкой с плоским пояском по типу, изображенному на рисунке 8.37 в работе [4]. Из-за незначительной потребности в ЛСМ на Украине изготовление контейнера по типу [4] экономически невыгодно. Поэтому проблему, связанную с изготовлением контейне-
1 Порхунов Александр Александрович, зав. отделом, ТОВ компания «Интерлинк». ул. Фрунзе, 146а, г. Полтава, 36008,Украина, e-mail: sasha@interlink. poltava.ua
Porkhunov Alexander A. Department head, TOV Company «Interlink». Str. Frunze, 146a, Poltava, 36008, Ukraine, e-mail: sasha@interlink.poltava.ua
2 Порхунов Александр Иванович, ассистент, каф. обЩеинженерных дисциплин, Полтавский университет экономики и торговли, e-mail: porkh-alex@mail.ru Porkhunov Alexander I. Assistant Chair of common engineering disciplines, Poltava University of Economics and Trade, e-mail: porkh-alex@mail.ru
Дата поступления - 13 апреля 2016 года
ра и его уплотнением, целесообразно решать, исходя из реальных экономических условий. Целью настоящей работы является создание надежной конструкции быстро-съемного затвора и анализ его работы в условиях эксплуатации.
Экспериментальная часть
Расчет и конструирование затвора проводили в следующей последовательности:
- анализ эксплуатационных показателей и экономических требований как исходных данных для разработки;
- выбор способа герметизации;
- выбор материала элементов уплотнения;
- расчет основных геометрических соотношений;
- установление шероховатости поверхностей и технических требований;
- уточнение принятых решений и оптимизация конструкции.
Исходные данные для разработки. Основными рабочими параметрами затвора являются условный диаметр Оу, температура, давление и характер рабочей среды.
Условный диаметр определяется размерами контейнера и крышки [5].
Давление среды на крышку определяли следующим образом. Согласно [6-8] при испытаниях в контейнеры объемом 5-10-4 м3 заливают 140-4 м3 моющего раствора СМС при температуре 20 °С. Процесс нагревания моющего раствора в контейнере, как увидим ниже, происходит практически при неизменном объеме, если не учитывать незначительное расширение моющего раствора СМС в объеме контейнера при нагревании, которое определяют по формуле:
Д V = у0рт дт,
(1)
где Уо - первоначальный объем раствора СМС (1-10-4 м3); рт - коэффициент объемного расширения раствора СМС в рассматриваемом диапазоне температур; ДТ - разность температур раствора в конце и в начале нагревания.
Задаваясь начальной температурой 20 °С и конечной 95 °С (368 К), получим АТ = 75 °С.
Произведение рт ДТ равно [9]:
вт ДТ =
Ро -Р Р '
(2)
где р0, р - плотность раствора СМС при начальной и конечной температуре соответственно.
Рассматривая раствор СМС как воду, из формулы (1) с учетом (2) найдем, что конечный объем раствора при 95 °С составит всего лишь 1,03-10-4 м3.
Как видно, нагревание раствора происходит практически при постоянном объеме, поэтому для нахождения конечного абсолютного давления, действующего на крышку затвора изнутри, можно воспользоваться законом Шарля:
Ро = Р1 _ п = РТ
гт гт^ Р\ гт '
т т
т
(3)
где р0 = 1,01405 Па - давление сухого воздуха при нормальных физических условиях; Т0 = 273 К - температура воздуха в градусах Кельвина при нормальных физических условиях; Т = 368 К - температура сухого воздуха в градусах Кельвина при 95 °С.
Абсолютное давление воздуха в контейнере при этом составляет р1 = 1,36405 Па, а избыточное - р„зб = 3,6-104 Па
Выбор способа герметизации. Так как рабочее давление невелико, то для герметизации контейнеров применили разъемное соединение по типу [3]. В
качестве затвора использовали готовую штампованную крышку производства Алитусского механического завода (Республика Литва). В целом такое разъемное соединение классифицируется следующим образом: по материалу уплотняемых поверхностей оно относится к соединениям с упругим уплотнением, по конструкции - к фланцевым соединениям со свободным фланцем, по способу нагружения - к разъемным соединениям принудительного типа [10].
Технические требования к уплотнению. Технические требования к уплотнению сформулированы в [11] и делятся на общие и специфические.
К общим техническим требованиям относятся:
- коррозионная и эрозионная стойкость в заданных условиях эксплуатации в течение заданного срока службы;
- отсутствие задиров в зоне контакта сопрягаемых материалов в условиях эксплуатации, высокая износостойкость;
- технологичность создания герметичного соединения, доступность материалов и приемлемая стоимость.
Особые требования предъявляются в основном к материалу уплотнителя, они сформулированы ниже.
Реализация технических требований обеспечивалась в дальнейшем конструктивными и технологическими мероприятиями, соответствующим выбором материалов и правилами эксплуатации изделия.
Детали контейнера, с учетом рекомендаций [10, 12], изготовляли из стали марки 12Х18Н10Т с последующей чистовой механической обработкой после аргоноду-говой сварки.
Выбор материала элементов уплотнения. Известно, что герметизация неподвижных соединений достигается в большинстве случаев устранением зазора между уплотняемыми поверхностями за счет помещения между ними легко деформируемых прокладок, заполняющих при их сжатии неровности этих поверхностей [9, 10, 12, 13]. В качестве упругого уплотнителя выбрана мягкая резина, которая является наиболее пригодной для уплотнений в неподвижных соединениях при таких давлениях [12]. При выборе марки резины принимались во внимание условия эксплуатации контейнеров (щелочная среда, высокая температура до 95 °С, частая смена эксплуатационных температур), которые, как известно, ускоряют процесс «старения» уплотнителя. С учетом изложенного были сформулированы особые требования к материалу уплотнителя:
1) низкая газопроницаемость;
2) стойкость к воде и растворам СМС в воде в широком диапазоне температур до 95 °С;
3) высокая эластичность и прочность на разрыв;
4) низкая пористость;
5) стойкость к старению;
6) стойкость к разрастанию порезов и к действию многократных деформаций.
Были изучены технические характеристики различных резиновых пластин и резиновых смесей на соответствие предъявляемым требованиям. Наиболее приемлемыми оказались резиновые пластины типа III [14] и резиновая смесь ИРП 1068 [15].
Шероховатости поверхностей. Принятый метод герметизации относится к методу герметизации путем контакта поверхностей под действием сжимающей нагрузки, при которой уменьшается межповерхностный зазор и увеличивается его сопротивление утечке воздуха. На уменьшение межповерхностного зазора существенно влияет шероховатость сопрягаемых поверхностей, которая зависит от материала контактирующих поверхностей и методов их обработки. Так как уплотнитель и крышка являются готовыми изделиями, то шероховатость их поверхностей определяется технологией изготовления. Шероховатость рабочих поверхностей листовой резины,
из которой изготовлены уплотнительные прокладки, в состоянии поставки согласно [14] составляет Ra 2,5 мкм. Первоначальная шероховатость рабочей поверхности крышки, изготовленной из стали марки 12Х18Н9, определяется состоянием поверхностей в условиях поставки. Для обеспечения требуемой шероховатости Ra 2,5 мкм крышки подвергались травлению по известной технологии. Величина шероховатости рабочих поверхностей контейнера приведена на рисунке 2.
Вариант 1 Вариант 2
кШ Ч,
...................._ ч
/ * \
СЧ 4 1
110.2 с
V__ 1 ___ I
б
Рисунок 2. Конструкция элементов уплотнения контейнера ЛСМ: 1 - крышка, 2 - резиновое уплотнение; 3 - контейнер; р -давление среды
Расчет основных геометрических соотношений. Ширину зоны уплотнения выбирали с учетом следующих условий:
1) контактное давление герметизации не должно превышать допустимую величину удельной нагрузки на уплотнитель
2) сила герметизации должна быть минимальной;
3) деформация элементов стыка при работе должна обеспечивать герметизацию.
В рассматриваемом нами случае основными геометрическими параметрами являются профиль, размеры контактирующего с уплотнителем участка цилиндрического контейнера и размеры канавки крышки, заполненной уплотнителем. Эти параметры в общем случае зависят от материала уплотнителя, проходного сечения, свойств рабочей среды и давления.
Так как 6 мм < Оу< 200 мм, то на первом этапе конструкцию уплотнения выполняли согласно рисунку 2 (вариант 1) с учетом рекомендаций [11]. При этом принимали h = 0,8 мм, dc = d + 1,6 мм, dl = d - 3 мм, d2 = d + 5 мм, d = 80 мм.
Известно, что для обеспечения плотности соединения при ширине уплотнителя Ь > 4 мм и толщине 5 < 4 мм уплотнитель (упругий и мягкий) должен быть предварительно обжат при р = 0 усилием [12]
где Qср - сила давления среды в рабочих условиях,
где dс - диаметр уплотнителя по средней линии, dс = 8,16 102 м, а ризб - рабочее давление среды, ризб = 3,6104 Па ;
Qупл - усилие, на которое предварительный затяг Оз должен превышать Оср, чтобы обеспечить герметичность соединения, равное
где dс - диаметр уплотнителя по средней линии, мм; Ь = ширина уплотнителя, мм; Ь = 4 мм = 410-3 м;
q - удельное давление на прокладке, необходимое для создания плотности и зависящее от материала уплотнителя, его ширины и толщины; Кф - коэффициент формы, учитывающий состояние поверхностей затвора, случайных дефектов и наличие посторонних включений на уплотняемых поверхностях; для круглых затворов рекомендуется принимать Кф = 1,0.
Ранее установлено [12], что герметичность соединений с резиновым уплотнителем для жидких сред обеспечивается при условии относительного сжатия его е не менее, чем на 20 %, т.е. е > 0,2/Есж. Отсюда q = 0,2Есж. Принимая для мягкой резины Есж = 2 МПа [16], получим q = 0,22 = 0,4 МПа. Для уплотнителей с большой деформационной способностью, таких, как резина, влиянием ширины и размеров уплотнителя на q можно пренебречь и для газообразных сред (воздух, пар и др.) принимать q на 40 % больше, чем для затворов для жидкости [12]. Таким образом, для рассматриваемого случая принято q = 1,40,4 = 0,56 МПа = 5,610-5 Па.
Усилие уплотнения
фупл = 3,14 8,16 10-24 10-35,6 10-51 = 574 Н
Сила давления уплотняемой среды составляет
Оср = 3,6 1043,14(8,16 10-2)2/4 = 188 Н
Таким образом, усилие затяга должно составлять, не менее
Оз = Оср + Оупл = 188 + 574 = 762 Н
В рабочем состоянии под действием силы давления уплотняемой среды Оср нагрузка на крепежные элементы увеличится, а нагрузка на уплотнитель уменьшится. При этом остаточная удельная нагрузка на уплотнитель q должна обеспечить необходимую степень герметичности. Максимальное приращение нагрузки на крепежные элементы в рабочих условиях составит ОсР, а наибольшая нагрузка на крепежные элементы при этом будет
Ох = Оз + Оср = 762 + 188 = 950 Н.
Уточнение принятых решений и оптимизация конструкции. В процессе отработки конструкции были испробованы такие способы крепления уплотнителя на крышке:
- для прокладки из пластины [14] на клею ВКР-61[17] (рисунок 2, вариант 1);
- для сырой резины ИРП 1068 [15] на клею «Лейконат»[18] (рисунок 2, вариант 2). Канавка крышки в форме трапеции заполнялась сырой резиной по технологии [19] с последующей вулканизацией. Окончательно уплотнитель имел высоту 2,5 мм и шероховатость рабочей поверхности Ra 0,63 мкм.
Установлено, что клеевое соединение в первом случае разрушалось по клею и носило когезионный характер. Это, вероятно, объясняется тем, что при медленном росте нагрузки, как это происходит в процессе работы и при испытаниях, клеи склонны к ползучести, которая обусловлена повышенной деформативностью резин. Во втором случае принятое техническое решение способствовало повышению ресурса работоспособности до 1200-1500 циклов.
Контроль герметичности и работоспособности уплотнения. Наиболее достоверным способом контроля, позволяющим судить о правильности выбранной конструкции и материалов уплотнения, а также о качестве изготовления, служат испытания. Известны следующие методы контроля герметичности: газовые, гидравлические, газогидравлические [10]. Суть газогидравлического метода контроля герметичности состоит в том, что в качестве пробного вещества используется газ, находящийся в
исходном состоянии при атмосферном давлении, а жидкость выполняет функцию среды для определения факта и места протечки. Иногда этот метод называют методом «аквариума». Этим методом пользовались при отработке конструкции уплотнения и при приемосдаточных испытаниях аппаратуры. При отработке конструкции контейнер заполняли 110-4 м3 раствора СМС, закрывали и помещали в емкость с водой при температуре 95 °С, т.е. реализовали реальные условия, в которых в дальнейшем мог эксплуатироваться контейнер. Так как контейнер, заполненный воздухом и раствором СМС, обладает плавучестью, то при его погружении в воду использовали специальное устройство. Температура 95 °С поддерживалась автоматически с точностью ± 1 °С. Слой воды над контейнером составлял 6-10 мм. Каждый контейнер выдерживали в воде в течение 20±2 мин. Место протечки определяли по выделению пузырьков воздуха.
Чувствительность этого метода при использовании воздуха и воды составляет Wmn = 10-2 л.мкм/с при р = 0,11 МПа [10].
Общий вид контейнера в сборе с затвором приведен на рисунке 3. Крышка затвора снабжена бортом и канавкой для размещения уплотнителя, которые вместе с другими конструктивными элементами придают ей необходимую жесткость, поэтому крышку в данном случае можно рассматривать как жесткий фланец. Уплотнение таких крышек имеет некоторую особенность. Она связана с тем, что сила обжатия уплотнителя в этом случае невелика, а затяжка, как правило, неравномерная. Для быстрой и правильной установки накидного хомута на выступающей части крышки выполнены две пукли симметрично линии диаметра. Такое техническое решение способствовало центральной передаче усилия затяга со стороны хомута 5 и повышению равномерности уплотнения стыка. Материал хомутов - сталь 12Х18Н10Т. Поворотный рычаг 4 снабжен двумя планками-эксцентриками 6, в каждой из которых выполнено по два отверстия. Одна пара соосных отверстий расположена на оси симметрии планок. Эти отверстия принадлежат оси вращения рычага 4 и взаимодействуют с цилиндрическими осями 7, расположенными в диаметрально противоположных точках контейнера 2. Другая пара соосных отверстий выполнена с эксцентриситетом и взаимодействует с отогнутыми вовнутрь на 90° и расположенными на одной оси концами хомута 5, через которые передается усилие затяга. Усилие затяга уплотнения создается ветвями накидного хомута 5 за счет перемещения его вдоль оси контейнера при повороте до упора рычага 4. Наличие эксцентриситета между осью вращения рычага 4 и точками восприятия вектора силы (усилия затяга уплотнения) препятствует самопроизвольному повороту рычага и разгерметизации затвора. Результаты испытаний при отработке конструкции использовали для уточнения размеров хомута 5. При этом следили за тем, чтобы предельное относительное сжатие уплотнителя s не превышало 0,5.
1 2 3 4 5
Рисунок 3. Фрагмент контейнера с быстросъемным затвором: 1 - стенка ротора; 2 - контейнер; 3 - крышка; 4 - хомут накидной; 5 - рычаг поворотный
Из условия прочности уплотнителя
q = Qi/Tidb < [q]
вытекает, что q = 0,74 МПа < [q] = 18 МПа, где [q] -допускаемое удельное давление обжатия уплотнителя с твердостью по Шору А до 65 ед. [20]. Таким образом, работоспособность уплотнителей при затяжке затвора обеспечивается.
Нагрузка Qx = 950 H воспринимается в равной степени двумя ветвями накидного хомута из стали 12Х18Н10Т диаметром 4 мм. Для стали 12Х18Н10Т при температуре 95 °С допускаемое напряжение [а], определенное по [21, Приложение А] линейной интерполяцией, равно 174 МПа. Условие прочности накидного хомута
= 3,8-107 Па = 38 МПа { [ах] = 174 МПа
выполняется. Fx и dx - соответственно площадь и диаметр поперечного сечения накидного хомута, [ах] = 174 МПа -допускаемое напряжение для стали 12Х18Н10Т.
Таким образом, создана конструкция быстросъемного затвора для уплотнения контейнеров отечественной ЛСМ. На основе проведенного анализа работы уплотнения предложена усовершенствованная конструкция затвора, позволившая повысить ресурс работоспособности до 1200-1500 циклов, что позволяет экономить средства, направляемые на ремонт и сокращать простои оборудования.
Литература
1. Порхунов О.О., Порхунов О.1.: пат. 11887 УкраТ-на. № u2005 06532; заявл. 04.07.2005; опубл. 16.01.2006. Бюл. № 1. 9 с.
2. Digital Washing Fastness Tester URL: http//Digital Washing Fastness Tester Manufacturer in New Delhi India by Labinlnstruments Company ID - 994454.htm
3. Linitest Artikel Nr.: 7421. Ersatzteilliste. Original Hanau Quarzlampen GmbH.- 16 s.
4. Аверкиев Ю.А., Аверкиев А.Ю. Технология холодной штамповки: учеб. для вузов. М.: Машиностроение, 1989. 304 с.
5. Порхунов А.И., Порхунов А.А. Практическое применение и перспективы использования испытательной аппаратуры для исследования моющего действия композиций синтетических моющих средств // Известия СПбГТИ(ТУ). 2014. № 23(49). С. 57-61.
6. ДСТУ 2972:2010. Засоби мийн синтетичн порошкоподiбнi. Загальн техычы вимоги. На замЫу ДСТУ 2972-94 (ГОСТ 25644-96); Чинний вщ 2011-07-01. КиТв: Держспоживстандарт УкраТни, 2011. 11 с.
7. ГОСТ 22567.15-95. Средства моющие синтетические. Метод определения моющей способности. Введ. 1997-01-01. М.: Изд-во стандартов, 1999. 12 с.
8. ГОСТ 22567.11-82. Средства моющие синтетические. Метод определения отбеливающей способности. Введ.1983-01-01. М.: Изд-во стандартов, 1982. 8 с.
9. Башта Т.М. Гидравлика, гидравлические машины и гидравлические приводы. М.: Машиностроение, 1970. 504 с.
10. Продан В.Д. Герметичность разъемных соединений оборудования, эксплуатируемого под давлением рабочей среды: учеб. пособие. Тамбов: Изд--во ТГТУ, 2012. 280 с.
11. Кармугин Б.В., Стратиневский Г.Г., Мендельсон Д.А. Клапанные уплотнения пневмогидроагрегатов. М.: Машиностроение, 1983. 152 с.
12. Гуревич Д.Ф. Расчет и конструирование трубопроводной арматуры Л.: Машиностроение, 1969. 887 с.
13. Blachura Janusz. Wplyw struktury i wlasciwosci sprezystuch materialu uszcelnien spoczynkowych na ich szczel-nosc. Doktorsca discertazia. Wroclaw: Politechnika Wroclaw-ska. Instytut techniki cieplnej mechaniki plynow. 2005. 110 s.
14. ГОСТ 17133-83. Пластины резиновые для изделий, контактирующих с пищевыми продуктами. Технические условия. Введ.1989-01-01. М.: Изд-во стандартов, 1982. 8 с.
15. ТУ 2512-046-00152081-2003. Смеси резиновые невулканизированные товарные Взамен ТУ 38.105 1082-86, ГОСТ 2631-79. Режим доступа: http://www.1bm. ru/techdocs/kgs/tu/527/info/37954/.
16. КондаковЛ.А. Уплотнение гидравлических систем. М.: Машиностроение, 1972. 240 с.
17. Клей ВКР-61. Режим доступа: http://www./ fastinfo.ru/files/FATA_1-2014.pdf.
18. ТУ 6-14-95-01. Клей «Лейконат». Взамен ТУ 6-14-95-85; введ. 2001-08-01. Режим доступа: http:// leikonat.ru/TU-6-14-95-01.html
19. РТМ 26-07-171-74. Технология изготовления резинометаллических золотников для изделий трубопроводной арматуры Главное управление промышленной арматуры. Взамен ТИ 109-65; введ. 1976-01-01. Режим доступа: http://www.gostrf.eom/normativ/1/4293837/4293837705. htm
20. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность и герметичность фланцевых соединений РД 26-15-88 Введ. 01.07.1989. Реж. доступа: http://www.gostrf. com/normadata/1/4294847/4294847934.pdf
21. ГОСТ Р 52857.1-2007. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Общие требования. Введ. 2008-01-04. М.: Стандартинформ, 2008. 26 с.
