Введение к работе
Актуальность темы. Проблема герметичности имеет место во всех отраслях промышленности и касается многих машин и устройств. Роль и значение уплотнений по мере развития техники, где гидравлика и пневматика занимают ведущие позиции, возрастают. Конструкции подвижных уплотнительных соединений (УС) должны иметь малые потери на трение, небольшие размеры, низкую стоимость и одновременно обеспечивать требования высокой герметичности и долговечности.
Надежность УС является важнейшей характеристикой машин и оборудования, которая определяет нормальную эксплуатацию, вероятность аварийных ситуаций и безопасность людей. Обеспечение функциональной надежности УС закладывается еще на стадии проектирования. Например, из общего числа отказов гидропневмосистем летательных аппаратов, связанных с нарушением герметичности, 67% обусловлено конструкторско-технологическими дефектами, 21% - производственными и 12% - нарушением режимов эксплуатации.
Условно УС можно разделить на две большие группы: УС "металл-металл" и УС "металл-полимер". Высокая герметичность соединения "металл -полимер" обеспечивается сравнительно меньшим усилием по сравнению с уплотнением "металл - металл". Как следствие малости усилия - малые габариты и масса изделия, его высокая надежность, высокий ресурс, поэтому такого типа УС получили широкое распространение. Однако их использование ограничивается предельными диапазонами температуры и давления рабочей среды и химическим составом.
Попытка соединить лучшие свойства УС "металл-металл", а именно широкий диапазон условий эксплуатации (давления, температуры, среды), и соединений "металл - полимер", а именно малые усилия герметизации, большой ресурс, привела к созданию новой группы УС - уплотнительных соединений с упругими тонкостенными элементами. Оболочечный элемент имеет низкую изгибную жесткость и при формировании стыка легко деформируется, принимая форму ответной детали, что обеспечивает уплотнительному соединению "металл - металл" сохранение всех преимуществ "металл - полимер", особенно в тяжелых условиях работы. Широкое использование УС "металл-металл" с оболочечными элементами в промышленности сдерживается отсутствием инженерных методик определения характеристик уплотнительного стыка. Не менее сложным вопросом является выбор материалов элементов УС. Отметим, что общей проблемой для пар трения и рассматриваемого соединения в частности является проблема схватывания трущихся поверхностей.
Цель работы. Повышение надежности возвратно-поступательного уплотнительного соединения с упругим тонкостенным элементом на этапе проектирования путем разработки методов расчета его прочности, герметичности и износостойкости.
Задачи исследования: анализ физической природы процесса изнашивания трущихся поверхностей УС И ВЫЯВЛеНИе ВОЗМОЖНОСТИ еГО лаяпіттггтгп ппы<-!(ННд-
ішіяиїїкл и t/l
.1. л» *
рос национальная] библиотека
C.I
определение напряженно-деформированного состояния упругого цилиндрического оболочечного элемента, нагруженного давлением рабочей среды и контактным давлением; в частности, ширины области контакта и распределение контактного давления внутри этой области.
моделирование массопереноса среды через уплотнительный стык;
разработка методик оценки физико-химических и триботехнических параметров изнашивания;
разработка рекомендаций по повышению износостойкости УС. Объект исследования - стык шероховатых поверхностей жесткого цилиндра и соосного упругого оболочечного элемента, нагруженного давлением рабочей среды и контактным давлением.
Научная новизна заключается в:
постановке конструкционной контактной задачи для жесткого цилиндра и соосного упругого оболочечного элемента, нагруженного давлением герметизируемой рабочей среды;
решении контактной задачи с использованием функций И.А. Биргера, позволяющей определить зависимость величины области контакта от геометрических параметров оболочечного элемента и давления рабочей среды;
обосновании метода оценки интенсивности изнашивания возвратно-поступательного УС "металл-металл" с упругим тонкостенным элементом, учитывающий влияние нагрузочно-скоростных факторов, конструкции сопряжения, свойств материалов и рабочих сред;
разработке методик экспериментальных исследований интенсивности изнашивания УС "металл-металл" и определении неизвестных параметров кинетической модели изнашивания.
Достоверность научных положений, выводов и результатов, сформулированных в диссертации, базируются на принципах теории упругих оболочек Тимошенко-Рейснера, механики контактирования шероховатых поверхностей, молекулярно-механической теории трения, механики жидкости и газа, математического моделирования и подтверждается экспериментальными данными.
Практическая ценность работы заключается в том, что на базе проведенных теоретических и экспериментальных исследований созданы методы расчета напряженно-деформированного состояния оболочечного элемента УС, интенсивности изнашивания стыка шероховатых поверхностей и его герметичности, используемых при проектировании возвратно-поступательного УС с упругим тонкостенным элементом, в частности:
"Методика определения ширины области контакта и распределение контактного давления внутри этой области для упругого оболочечного элемента";
"Методика оценки интенсивности изнашивания уплотнительных соединений металл-металл".
Разработанные методы составляют основу вычислительного процесса определения рациональных размеров оболочечного элемента из условий прочности либо обеспечения требуемой герметичности, либо износостойкости либо комбинации указанных требований.
Реализация результатов работы. Разработанные методы используются в ОАО "ИркутскНИИхиммаш" г Иркутск при проектировании уплотнений промышленного оборудования. Результаты научно-исследовательской работы используются в учебном процессе БрГУ по магистерской программе 551801 "Машиноведение и детали машин".
Апробация работы. Результаты диссертационной работы обсуждались на семинарах секции «Проблемы механики, машиноведения и производственных технологий» Братского государственного университета (ГОУВПО "БрГУ") и докладывались на следующих конференциях:
Научно-технической конференции «Триботехнические испытания в проблеме контроля качества материалов и конструкций», г. Рыбинск, 1989;
Межрегиональных научно-технических конференциях «Естественные и инженерные науки - развитию регионов» Братского государственного университета, г. Братск, 1993-2005 г.г.;
Международном научном симпозиуме «Механизмы и машины ударного, периодического и вибрационного действия», г. Орел, 2000
IV Международной научно-практической конференции «Математическое моделирование в образовании, науке и производстве», г.Тирасполь, 2005;
V Международном симпозиуме «Трибофатика», г. Иркутск, 2005;
Международной научно-технической конференции «Проблемы исследования и проектирования машин», г. Пенза, 2005;
IX Международной научной конференции «Решетневские чтения» посвященной 45-летию Сибирского государственного аэрокосмического университета имени акад. М. Ф. Решетнева, г. Красноярск, 2005;
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 28 печатных работах, из которых статей - 12, докладов - 9 , тезисов докладов - 7.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (141 наименование). Общий объем работы 140 страниц, включая 36 рисунков, 3 таблицы, список литературы на 14 страницах.
Автор признателен д.т.н. проф. |Ю. К. Михайлову!, к.т.н. доценту В, М. Лебедеву (Санкт-Петербургский государственный политехнический университет), д.т.н. проф. П. М. Огару (Братский государственный университет) за оказанные консультации при выполнении работы над диссертацией.
