Введение к работе
з
Актуальность темы исследования. Уплотнения и уплотнительные устройства занимают особое место в машиностроении различного профиля. Наиболее распространёнными, подверженными возрастающему давлению рабочей среды и лимитирующими технический ресурс, надёжность и долговечность машин и оборудования, являются уплотнительные устройства возвратно-поступательного действия.
Некоторые выпускаемые в России гидрофицированные объекты базируются на устаревшие приводы, рассчитанные на рабочее давление до 16 МПа. Современные машины, в том числе импортные, имеют надёжное гидрооборудование на давление 21...40 МПа, а часть нефтегазового оборудования функционирует при давлении до 70 МПа. При росте давления усложняется работа уплотнений.
Эффективность предлагаемых уплотнительных устройств возвратно-поступательного действия проявляется при повышенном давлении и разнообразии рабочей среды. При такой трактовке решаемые проблемы относятся к числу особо актуальных.
Степень разработанности темы. Серийные уплотнительные устройства не соответствуют современным требованиям, прежде всего при высоком давлении - до 70 МПа. Новые разработки по уплотнениям представлены в работах В.В. Буренина, СП. Ереско, В.Я. Штро, В.В. Гаевский, А.А. Толоконникова, СВ. Герасимова, В.П. Алексеева и др. Однако долговечность этих устройств недопустимо снижается с ростом рабочего давления среды. Недостаточно разработаны задачи напряженно-деформированного состояния уплотнительных пакетов.
Цель исследования. Повышение эксплуатационно-технологических характеристик пакетных манжетных уплотнительных устройств возвратно-поступательного действия в диапазоне давлений рабочей среды от 25 до 70 МПа.
Объект и предмет исследований. Пакеты уплотнений с М - образными манжетами преимущественно из резиноткани в широком диапазоне давлений рабочей среды - от 25 до 70 МПа; модификация серийных резиновых манжет. Стенды для испытаний уплотнений возвратно-поступательного действия. Экспериментальные исследования новых уплотнительных устройств и теоретическое определение их напряжённо-деформированного состояния.
Задачи исследования.
-
На основе анализа известных уплотнительных узлов разработать новые структуры пакетных уплотнительных устройств возвратно-поступательного действия с М - образными резинотканевыми манжетами, уплотнительные элементы которого разгружены от осевой нагрузки и обеспечивают стабильный уплотнительный эффект в диапазоне рабочих давлений от 25 до 70 МПа.
-
Уточнить технологию поверхностной диффузионной модификации для повышения модуля упругости и триботехнических свойств на уплотняемой поверхности манжет, работающих при повышенном давлении рабочей среды.
-
Разработать методику испытаний и создать стендовое оборудование для сравнительных исследований уплотнений в широком диапазоне давлений с целью определения наработки, силы трения и утечки рабочей среды.
-
На основе методов конечных элементов и теории упругости предложить методику расчёта напряжённо-деформированного состояния пакетных уплотнений (с использованием инженерной программы ANSYS).
-
Предложить комплексные показатели эффективности новых уплотнительных устройств, учитывающие стоимостные и эксплуатационно-технологические характеристики, а также расширение области их применения.
Научная новизна работы. Разработана методика повышения эксплуатационно-технологических показателей уплотнительных устройств возвратно- поступательного действия при высоком давлении за счет диффузионной поверхностной модификации U - образных резиновых манжет и применения новых М - образных резинотканевых манжет, уплотнительные элементы которого разгружены от осевой нагрузки. На основе методов конечных элементов и теории упругости предложена методика расчета напряжённо-деформированного состояния пакетных уплотнений с использованием инженерной программы ANSYS.
Новизна технических решений защищена двумя изобретениями.
Достоверность разработанных положений, выводов и рекомендаций подтверждена практикой конструирования уплотнений, компьютерным решением аналитических задач и их сопоставлением с экспериментальными данными, испытаниями на стендах, практическим использованием уплотнений, а также апробацией на научных конференциях.
Теоретическая и практическая значимость. Осуществлено совершенствование и разработаны основы конструирования пакетных уплотнительных устройств из резиноткани и полимеров на давление до 70 МПа с новыми М - образными манжетами; апробирована простая и надёжная технология диффузионной поверхностной модификации серийных резиновых манжет. Благодаря этому существенно повышается износостойкость и технический ресурс уплотнений при снижении не менее чем в 2 раза их энергоёмкости.
Методология и методы исследования. Аналитические исследования проводились на основе законов теории упругости и вариационных исчислений решения задач - методом перемещения; численная реализация осуществлена с применением метода конечных элементов. При определении упругих свойств резинотехнических материалов использован метод сравнительных испытаний на образцах. Экспериментальные исследования уплотнительных устройств проведены на стенде с имитацией условий эксплуатации.
Положения, выносимые на защиту:
повышение эксплуатационно-технологических показателей серийных резиновых уплотнений за счет диффузионной поверхностной модификации;
разработка пакетных манжетных уплотнений одно - и двустороннего действия повышенного давления (до 70 МПа) на основе М - образных манжет из резиноткани;
определение модуля упругости нетрадиционных уплотнительных материалов;
стендовое оборудование для сравнительного экспериментального исследования уплотнений;
экспериментальное определение показателей силы трения и наработки серийных, модифицированных и новых (с М - образными манжетами) уплотнений;
аналитическое исследование напряженно-деформированного состояния одиночных и пакетных уплотнений с использованием инженерной программы ANSYS;
определение комплексных показателей эффективности модифицированных и новых уплотнительных устройств.
Реализация работы. Стендово-испытательное оборудование изготовлено и использовалось в Волгоградском заводе буровой техники и в
6 Волгоградском государственном аграрном университете. Разработана и
апробирована опытно-промышленная технология модификации резинотехнических изделий. Уплотнения с резинотканевыми М - образными манжетами на давление до 70 МПа, после испытаний и экспериментальной отработки, использованы в нефтегазовом оборудовании, выпускавшемся в ВЗБТ и в ПО «Баррикады» (Волгоград).
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на 7-й и 8-й Региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области (2002, 2003), 48-й научной конференции преподавательского состава ВолгГТУ (2011), Международной научно-практической конференции «Аграрная наука - основа успешного развития АПК и сохранения экосистем» (Волгоград, 2012), Международной научно-практической конференции, посвященная 70 - летию Победы в Сталинградской битве «Интеграция науки и производства - стратегия устойчивого развития АПК России в ВТО» (Волгоград, 2013).
В полном объёме диссертация доложена и одобрена на научных семинарах ВолгГАУ и ВолгГТУ (2013).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 18 научных работах, из них 6 - в журналах ВАК РФ, две - в материалах международной конференции; получено также 2 патента на изобретения.
