Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Краткий обзор и анализ работ, связанных с исследованиями уплотнительных элементов манжетного типа
1.1 Условия надежной работы манжет в соединениях
1.2 Трение на поверхности контакта при уплотнении .
1.3 Общие сведения о релаксации в упругоэластичном уплотнителе
1.4 Свойства резины как материала для уплотнения .
1.5 Постановка задачи исследования и совершенствования уплотаительнах манжет .
Глава 2 Теоретическое исследование узла манжетного уплотнения
2.1 Схема герметизации манжетой у- образного сечения .
2.2 Исследование деформации манжеты в зазоре при ее ограниченном осевом сжатии .
2.3 Методика расчета силовых параметров узла манжетного уплотнения
233.1 Расчет допустимого давления герметизируемой среды
2.3.2 Расчет удельных контактных давлений манжеты З7 .
2.4 результаты теоретического исследования напряженно-деформированного состояния манжеты и рекомендации по конструированию манжетных уплотнителей повышенных зазоров
Глава 3. Совершенствование конструкции уггаотнителъных манжет для перекрытия повышенных радиальных зазоров 46
3.1 Условия работы угоютнительных манжет при герметизации 46
3.2 Разработка конструкции комбинированных манжет с защитным металлическим поясом 48
3.3 Исследование и выбор материала для комбинированных уплотнительных манжет 52
3.4 Новая конструкция устройства для уплотнения концевой части трубы при гидравлических испытаниях 56
Глава 4. Экспериментальные исследования процесса уплотнения манжетами 59
4.1 Метод и средства исследования манжет по распределению удельных контактных давлений 59
4.2 Исследование расположения защитного пояса С перемычек на манжете в области зазора 64
4.3 Исследование распределения удельных давлений на контактной поверхности манжет 66
4.4 Планирование эксперимента и факторный аналив процесса уплотнения 78
4.5 Результаты испытания манжет на эксплуатационную выносливость 86
4.6 Исследование механизма разрушения манжет при действии циклических нагрузок 89
Глава 5. Практическое использование результатов исследования и разработок уплотнительных манжет 97
5.1 Изготовление опытной и опытно-промышленной партии уплотнительных манжет 97
5.2 Разработка проекта отраслевого стандарта на уплотнительные манжеты 99
5.3 Определение экономической эфФективности от внедрения в промышленности манжет повышенной эксплуатационной выносливости 106
Выводы и рекомендации 109
Литература 113
Приложение 120
- Условия надежной работы манжет в соединениях
- Схема герметизации манжетой у- образного сечения .
- Условия работы угоютнительных манжет при герметизации
- Метод и средства исследования манжет по распределению удельных контактных давлений
- Изготовление опытной и опытно-промышленной партии уплотнительных манжет
Введение к работе
развитию отечественного машиностроения с первых дней Советской власти уделяется постоянное и должное внимание нашей партии и правительства, в последние годы намечен курс на ускорение темпов научно-технического прогресса как решающего условия повышения эффективности и интенсификации общественного производства.
По мнению английского исследователя Д.Денни / 1 / технический прогресс сдерживается исключительно из-за трудностей , связанных с уплотнительными устройствами, их разработкой и внедрением .
Одним из направлений развития химического машиностроения является дальнейшее совершенствование конструкции уплотнитель-ных элементов, способных обеспечить эффективную герметизацию систем с высоким давлением рабочей среды . В этой связи намечено " организовать выпуск ... новых видов формовых и неформовых резинотехнических изделий " ( из основных направлений экономического и социального развития СССР на 1981 - 1985 годы и на период до 1990 года ).
Эффективность эксплуатации химического , нефтяного , металлургического и др. технологического оборудования во многом зависит от надежности и долговечности работы уплотнительных элементов, содержащихся в гидравлических или пневматических системах. Широкое распространение находят манжетные кольца V- образного сечения. Например , в соединениях вращательного или возвратно-поступательного движений штоков устанавливают манжеты ГОСТ 380587 - 75 из резинотканевого материала і Манжеты применяются в качестве уплотнительных элементов в опрессовочных головках гидравлических прессов типа П- 9041 , при помощи которых испытывают на прочность и плотность цилин- - б - дрические корпуса выпарных аппаратов , химических реакторов , а также обсадные и насосно-компрессорные трубы , работающие под давлением герметизируемой среды до 125 МПа .
Для создания давления в системе при перекачивании суспензий и химически агрессивных жидкостей используют поршневые ( мембранного типа ) насосы , у которых герметизацию соединения рабочего плунжера осуществляют упруго-эластичными манжетами , при этом давление в герметизируемой полости достигает 100 МПа .
В связи с возросшими давлениями среды и требованиями надежной герметизации возникла необходимость исследований и разработки специальных уплотнительных манжет .
В данной работе выполнены теоретические и экспериментальные исследования упруго-эластичных манжет как уплотнителей . для эащиты представляется следующее : полученные результаты исследования напряженно-деформированного состояния упругоэластичной манжеты в условиях повышенного радиального зазора при ограниченном осевом сжатии ; основные конструктивные зависимости, учитывающие площадь перекрываемого манжетой радиального зазора и давление герметизируемой среды; результаты разработки и испытания новой конструкции манжеты, имеющей защитный металлический пояс и межлопастные упругие перемычки»
В области уплотнительной техники растет объем исследований, происходит поиск новых материалов , новых конструктивных решений. Большой вклад в развитие теории герметизации внесли работы отечественных и зарубежных ученых, например, Т.М-Башты, Г.М.Барте-нева, г«А.Голубева, Б.М.Горелика, А.Д.Домашнева, Л.А.Кондакова, В.А.Лепетова, В-Селла, и.Лайна, э.Майера и др. результаты их исследований расширили представление о процессе герметизации.
Условия надежной работы манжет в соединениях
Разобщение полостей высокого и низкого давлений жидкости или газообразной среды может осуществляться при помощи манжет. Манжета представляет собой упругоэластичное кольцо , имеющее уплотнительные лопасти. Конструкции манжет бывают самые различные, например, однолопастные , двухлопастные ( v-образные), комбинированные резинотканевые, с браслетной пружиной на лопасти , с металлическим каркасом , с утолщенным цилиндрическим основанием . Известны также металлические манжеты с гофрированной уплотняющей частью / 2 /.
При малом давлении контакта может произойти разгерметизация полости, а слишком высокое давление может вызвать обильное выделение тепла и снижение эластичности манжеты, что сокращает ресурс работы уплотнителя / 4 /
В случае повышения давления рабочей среды пропорционально увеличивается контактное давление на уплотняемых поверхностях.
Так, при действии на манжету осевых и радиальных сил деформации, контактные давления на внутренней и наружной уплотняющих лопастях различны по величине и противоположны по направлению.
Для внутренней лопасти отношение контактного давления к давлению запираемой среды лежит в пределах: / — 1,07 , для наружной лопасти - от 1 до 0,82 . Герметизация наружной лопастью менее надежная / /. Далее отмечено, что надежность уплотнения повышается, если лопасть находится в состоянии сжатия, и надежность снижается , если лопасть манжеты подвержена растяжению. Величина допустимого давления рабочей среды определяется из выражения: где а - толщина лопасти манжеты; 1т- коэффициент трения; /х - расстояние от запирающей кромки лопасти до рассматриваемого сечения; 3,п- предел прочности материала на разрыв. Область применения резинотканевых манжет ограничивается давлением жидкости 50 МПа ( до 500 кгс/см2 ).
Приведенная зависимость ( 1.2 ) не учитывает влияния перекрываемого зазора, в который возможна деформация тела манжеты5f не учитываются габариты манжеты, температура и др. факторы.
В рекомендациях по конструированию резиновых деталей / б / находим, что величина зазора непосредственно связана о уровнем давления герметизируемой среды. Например, при давлении до 4,9 МПа С 50 кгс/см ) зазор должен быть не более 0,18 мм, при давлении 9,8 МПа С 100 кгс/см ) величина зазора должна быть уменьшена до 0,02 мм. При этом желательно устанавливать подкладные кольца из материала с большей жесткостью.
Что касается выносливости манжет при эксплуатации, то с увеличением уплотняемого зазора она снижается . Форма связи определяется эмпирической зависимостью / 7 / : где //с - выносливое ть, определяемая при намеченном sasope, (количество цлклов движения штока) // - выносливость базовая при известном sasope; д$- разность в размерах уплотняемого зазора, мм; у) - коэффициент пропорциональности между логарифмом выносливости и размером зазора, зависящий от условно-равновесного модуля резины, 1/мм. Данное уравнение подчеркивает зависимость выносливости от размера перекрываемого зазора.
Схема герметизации манжетой у- образного сечения .
При уплотнении упруго-эластичным элементом наибольшую деформацию растяжения, как показано в работах /8,25,43 /,претерпевает участок тела, находящийся в зазоре.
В данном разделе ставится задача определения взаимосвязи деформирующей нагрузки и линейной деформации в зазоре при ограниченном осевом сжатии манжеты. Сечение деформируемого участка манжеты в зазоре показана на рис. 2 3. Схема несколько идеализирована, ввиду принятия следующих допущений:
- величина радиального зазора остается постоянной ;
- тело манжеты симметрично нагружено относительно оси о г. ;
- время действия нагрувки достаточно для достижения равновесного состояния ;
- рассматриваемый участок представлен в виде нити с защемленными концами, а на длине нити действует распределенная нагрузка (j=(pg-p0) .
Состоянии рассматривается узкая полоска поверхностного слоя деформируемого элемента, которая может быть представлена как нить начальной длины 6 , находящаяся под действием давления, нормального к оси 04.
Уравнение для определения прогиба к/и) условной нити может быть составлено , исходя ив равенства вертикальных и горивонталь-ных составляющих сил, дейсвующих на элементарном участке нити df. Приравнивая нулю линейные части приращений составляющих сил на элементарном участке, т.е. их дифференциалы,получим следующие уравнения :
Следует заметить, что выражение ( 2.5 ) для прогиба в заэоре можно получить и вариационным методом расчета, предложенным рейпеем и ритцем / 7? /, который заключается в минимизации потенциальной энергии деформации нагруженной мембраны , имеющей форму прямоугольной полоски, и достигается за счет соответствующего выбора вакона изменения прогиба, представленного в виде рада фурье с варанее неизвестными коэффициентами разложения. Полученное выражение ( 2.5 ) совпадает с известным решением прогиба мембраны / 78 /, когда одна из сторон полоски прямо -угольной формы существенно больше другой, т.е. представляет бесконечно длинную узкую полоску, в качестве которой в условиях рассматриваемой в настоящей работе вадачи можно принять поверхность манжеты в кольцевом saeope о .
Условия работы угоютнительных манжет при герметизации
В соответствий с требованиями стандарта трубы нефтяного сортамента ( ГОСТ 632-79) и трубы для химического машиностроения подвергаются испытанию на прочность и плотность внутренним гидравлическим давлением, величина которого достигает 125 МПа. Для этих целей в условиях производства применяются специальные гидравлические испытательные прессы отечественных моделей , например, П-9041, П-9436 , Т-1131 и др. Применяются также прессы некоторых инофирм : "Зак" ( ФРГ ),мВит-ковиц" ( ЧССР), "Мондбар" (Франция). Конструкция этих прессов представляет собой сложный комплекс механических, гидравлических и электрических узлов , управляемых оператором . Работа заключается в следующем . Отдельная труба подается на испытательную позицию, центрируется и закрепляется . Затем при помощи опрессовочных головок с торцов она герметизируется уплотнительными манжетами ( схема показана на рисунке 3.1 ). После герметизации жидкость нагнетается в трубу до заданного давления, которое выдерживается не менее 10 с. и снижается до атмосферного за 3 - 5 с. Общий цикл опрессовки одной трубы длится 50 - 60 с. Уплотнение трубы производится на концевых участках по наружной поверхности. В начальный момент контакт создается за счет упругости уплотняющей лопасти манжеты, одеваемой на трубу с натягом. По мере повышения испытательного давления жидкости увеличивается контактное давление, тело манжеты находится в состоянии объемного сжатия. Под действием давления герметизируемой жидкости манжета имеет возможность выдавливаться в радиальный зазор, достигающий в отдельных случаях 5 мм. Уплотняющая лопасть манжеты, как правило, прилипает к поверхности трубы и при извлечении трубы подвергается выворачиванию. Уплотняемая поверхность труб после проката необработанная, т.е. имеются выступы и впадины, концевые участки труб с кривизной и овальностью поверхности, составляющей 1,85% от номинального диаметра трубы.
Таким образом , условия эксплуатации трубоуплотнительных манжет тяжелые и отличаются от тех условий, в которых работают, например, уплотнительные элемента на штоках, в цилиндрах, на валах машин и т.п. Необходимо отметить, что применяемые в данных условиях манжеты обладают низкой стойкостью к износу и разрушению. Они выходят из строя через 40-60 циклов опрессовок. На замену каждой манжеты затрачивается в среднем 0,5 часа . Чем выше уровень испытательного давления жидкости, тем меньшая стойкость уплотнительных манжет. Чтобы обеспечить герметизацию труб при давлении 70 МПа и более, необходимо устанавливать в каждой опрессовочнои головке по три манжеты ( ГОСТ 5І52І66 ).
Метод и средства исследования манжет по распределению удельных контактных давлений
Задачей настоящих экспериментальных исследований является изучение распределения удельных контактных давлений на уплотняемых поверхностях манжет v - образного сечения , влияния отдельных параметров на соотношения удельных давлений в условиях , приближенных к эксплуатационным .
Для этих целей разработана и изготовлена лабораторная установка , позволившая проводить испытания натурных образцов манжет. Принципиальная схема установки показана на рисунке 4.1 . Узел уплотнения состоит из обоймы , к которой с торцов крепятся фланец и реэьбовое кольцо. В обойму помещены манжетные кольца , одно из которых исследуемое . Манжета опирается на вставку-кольцо . Трубу вводят в центральное отверстие собранного узла уплотнения , который закреплен на станине . Гидравлическая система установки включает трубопроводы , запорные вентили , ручной подкачивающий насос , емкость для жидкости , мультипликатор , манометр низкого давления , бак , подкачивающий насос , контрольный манометр с наклеенным тензодатчиком на С - образной трубке . Для измерения и регистрации удельного давления применен комплект тензометрической аппаратуры : светолучевой осциллограф типа Н - 700 , гальванометры М 001 № 76418 , 82850 , 44770 , 50744 , а также усилитель 8 АНН - 7 М с блоком питания С 50 и датчики. 8ти датчики специальной конструкции , работающие по принципу передачи величины деформации в виде электрического сигнала. герметизируемой жидкости манжета деформируется в осевом и радиальном направлениях, усилия деформации воспринимаются соответствующими датчиками. Развиваемое со стороны манжеты усилие через шток 5 и шарик 3 передается на стакан 2 , стенка которого упруго деформируясь, вызывает изменение свойств наклеенного тензосопротивления 1. Относительное изменение этого сопротивления преобразуется в сигнал разбаланса , пропорциональный усилию деформации стенки стакана. Полученный сигнал создает в измерительной схеме напряжение разбаланса, которое усиливают и подают на фазочуветвительный детектор, где выделяется сигнал модулирующей частоты.
Изготовление опытной и опытно-промышленной партии уплотнительных манжет
В соответствии с планом научно-исследовательской работы ( № гос. регистрации 72009607 ) на кафедре технологии резины Днепропетровского химико-технологического института изготавливалась опытная партия уплотнительных манжет , на которых отрабатывались конструкция „(выбран материал} технология, режимы вулканизации. Все геометрические размеры манжет обеспечивались пресс-формой, разработанной совместно с КБ завода им. К.Либкнехта и Свердловским филиалом НИИРП .
При изготовлении манжет придерживались технологии и требований, изложенных ниже .
Для ускорения процесса и достижения более высокого качества изделия (манжеты) сборку резинотканевого основания выполняли на специальном макете. На горизонтальной поверхности которого прокладывали слой сырой резины толщиной 8 мм. Затем устанавливали кольцо металлического защитного пояса манжеты, смаванного резиновым клеем. Далее укладывали слой резинотка-ни , раскроенной в виде ленты шириной 17 - 20 мм ( длина отдельной ленты не менее 500 мм ). Перед укладкой очередного слоя его поверхность слегка смачивали бенвином Б - 70 . Каждый слой ленты придавливали катком , окончание одной ленты и начало другой состыковывали , не оставляя щели . Общее количество слоев не должно превышать по высоте 20 мм .
Полученное кольцо ( заготовка ) помещается в пресс-форму . Детали пресс-формы подогревают до температуры 135 - 140С , при этом оформляющая поверхность смазывается силиконовой жидкостью для лучшего отделения манжет после вулканизации. Установив заготовку в пресс-форму , добавляют необходимое количество сырой резины С навеску ) и сверх расчетного закладывают 50 - 100 г резины . Делают 2-3 подпрессовки:. всей массы , а потом помещают в термокамеру пресса мод. П - 474 А и выдерживают 60 - 70 минут , сжимая детали пресс-формы с усилием не менее 10 МПа . На протяжении процесса вулканизации регулируют температуру 148 3С и контролируют ее при помощи термометра (периодически ) или хромель-алюмелевой термопарой, подключенной к прибору типа МПП - 154. Временной интервал процесса контролируют по часам. После окончания вулканизации детали пресс-формы разнимают и извлекают манжетное кольцо . Облой на кромках манжет удаляют ножом . Качество манжеты определяют внешним осмотром .
Для изготовления манжет применяли следующие основные материалы: резину на основе каучуков СШС - 30 и АРКМ - 15 ( ГОСТЕ 11138 - 65 ) ; проревиненную с двух сторон капроновую ткань из корца К 23 ; проволоку стальную ( ГОСТ 9389 - 60 ), диаметр 1,5 - 2,0 мм . У некоторых манжет основание армировали тканью "доместик " , арт. 2024 , или тканью " чефер ", арт. 2086 .
В условиях Свердловского вавода РІЙ изготавливалась по технологическому регламенту № 51 - 20780 опытно - промышленная партия манжет в количестве 1000 штук , которые испольвованы на їаганрогском металлургическом заводе по назначению .
-Для каждого типоравмера манжет спроектирована и изготовлена индивидуальная пресс-форма многоразового действия . Бе конструкция выполнена разборной и состоит из трех деталей: пуансона, наружного кольца и основания ( чертежи одной из пресс-формы В? 308453 помещены в приложении ) .
