Инновационные технологии и оборудование. Межвузовский сборник научных трудов. Пачевский В.М

деформирование - W , состоит из мощности трения - Wтр между

деформирующими элементами и заготовкой, мощности пластического деформирования на контактном участке - W2 и мощности затраченной на деформирование во внеконтактных

зонах: Wв.з W1 W3 .

Рассмотрим изменение общей мощности, а также ее составляющих в зависимости от режимов деформирования и геометрии инструмента. Расчеты выполнялись для безразмерных мощностей согласно методам теории подобия /3/:

убывает, причем это изменение практически не зависит от толщины

стенки. Ранее, в работе /4/ отмечалось, что при 4 доля работы трения практически не зависит от натяга и диаметра отверстия

Представим осевую силу Q следующей зависимостью /4/:

,

где N - сила, нормальная к поверхности инструмента.

33

Таким образом, доля мощности трения в общей мощности, затраченной на деформирование заготовки, определяется величиной

f и значением . Сравнение значений Wт р , полученных согласно

W

зависимости (6), показало их хорошее совпадение (рис.2). При малых и высоких значениях коэффициента трения мощность сил трения может достигать до 85% от общей мощности. В тоже время при больших и низких значениях f мощность Wтр W

снижается до 10 % от общей мощности.

Доля мощности, затраченная на деформирование во внеконтактных

Как показали данные математического моделирования, доля мощности, затраченной на образование внеконтактных зон, может изменяться от 5 до 60 % общей мощности.

34

Доля мощности формоизменения на контактном участке уменьшается с увеличением толщины стенки и натяга. Ее величина может изменяться в пределах от 5 до 35 % общей мощности.

На основании вышеприведенных данных можно определить пути минимизации энергетики процесса, через применение технологических факторов. Одним из путей снижения Wтр является уменьшение f , что

можно осуществить применением технологических смазок с низкими антифрикционными свойствами. Также уменьшение Wтр можно

осуществить за счет снижения ширины контакта l2 . На снижение l2

влияют увеличение , переход от осуществления суммарной деформации одиночным элементом – группой элементов, т. е. снижение натяга на элемент, а также совмещение зон внеконтактной деформации соседних рабочих элементов одновременно осуществляющих деформирование /6/.

На мощность формоизменения на контактном участке W2 при заданных степени деформации и размерах заготовки можно влиять только уменьшением ширины контакта l2 . Это достигается увеличением ,

снижением натяга на элемент, а также совмещением зон внеконтактной деформации.

Мощность деформирования во внеконтактных зонах W1 W3 можно

значительно снизить уменьшением , либо совмещением зон внеконтактной деформации. Как показали эксперименты /6/, использование совмещения зон внеконтактной деформации позволило снизить энергозатраты на процесс до 40 %. При этом такое существенное снижение обусловлено экономией энергозатрат на деформирование во внеконтактных зонах, а также снижением мощности трения.

Разработанная теоретическая модель позволила выполнить анализ энергетических параметров очага деформирования и установить пути снижения, как мощности деформирования, так и мощности ее составляющих.

Литература:

1. Тимошенко С.П., Войновский - Кригер С. Пластины и оболочки – М.: Физматгиз, 1963 – 636 с.

2.Качанов Л.М. Основы теории пластичности – М.: Наука,

1969 – 420 с.

3.Седов Л.И. методы подобия и размерности в механике. –

М.: Наука, 1969. – 420 с.

35

4.Розенберг О.А. Механика взаимодействия инструмента с изделием при деформирующем протягивании – Киев: Наукова думка, 1981 – 288 с.

5.Немировский Я.Б., Цеханов Ю.А. Применение вариационных принципов для анализа энергетических и кинематических параметров процесса деформирующего протягивания. // Резание и инструмент в технологических системах: Межд. научн.- техн. сборник. Вып. 60. – Харьков: ХГПУ – 2001. – с. 154-159.

6.Немировский Я.Б. Обеспечение геометрической точности изделий на основе изучения механики деформирующего протягивания. // Резание и инструмент в технологических системах: Межд. научн.- техн. сборник. Вып. 61. – Харьков: ХГПУ – 2002. – с.

146-153.

ОТРАБОТКА МАНЖЕТНЫХ УПЛОТНЕНИЙ ВРАЩАЮЩИХСЯ ВАЛОВ ТУРБОНАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ

Белоцерковский Ю.А., Моксач Г.И., Скачилов В.Н. к.т.н..

В настоящей статье приведен порядок выбора и отработки манжетных уплотнений турбонасосных агрегатов разработки КБХА. Описана схема стенда и имитатора для испытаний манжет. Освещены

вопросы повышения надежности манжетных уплотнений.

Безотказная работа любого гидравлического агрегата во многом зависит от надежной работы уплотнительных устройств.

Особенно высокие требования предъявляются к разделительным устройствам турбонасосных агрегатов (ТНА), т.е. к устройствам, разделяющим насосы окислителя и горючего, имеющие один и тот же приводной вал, соединенный с турбиной. Основная задача такого устройства - препятствовать соединению возможных утечек окислителя и горючего и их самовоспламенению. Как правило, такие устройства включают два пакета контактных уплотнений - один пакет в насосе окислителя, другой - в насосе горючего, разделяемых дренажной полостью.

36

В качестве контактных уплотнений вращающихся валов широко применяются резиноармированные манжеты. Они обладают рядом преимуществ перед другими контактными уплотнениями (малые габариты и вес, простота, удобства при монтаже, достаточно высокие эксплуатационные качества).

Обычно пакет уплотнения окислителя и пакет уплотнения горючего включают в себя по три манжеты, устанавливаемых последовательно друг за другом, причем между манжетами каждого пакета обязательно выполняется промежуточный дренаж, назначение которого - удаление возможных утечек окислителя и горючего до подхода к дренажной полости между пакетами. Для разгрузки манжет от действия давления рабочей среды перед ними устанавливаются жестко закрепленные на валу динамические гидрозатворы (импеллеры) - диски с лопатками, обращенными в сторону манжет. Такая схема позволяет решить поставленную задачу при обеспечении герметичности "хотя: бы по одной из шести манжет.

Практика отработки уплотнительных устройств в КБХА выработала ряд типовых мероприятий, обеспечивающих достижение желаемого результата.

Эти мероприятия проводятся в рамках действующей на предприятии комплексной системы управления качеством продукции (КСУКП) и регламентированы рядом стандартов предприятия. К таким мероприятиям относятся:

1. Выявление на стадии проектирования агрегата всех воздействующих на устройство факторов, определение их предельных величин, назначение требований к каждому элементу уплотнительных устройств. Этой процедуре помогает предусмотренная специальным стандартом [1] матрица условий работы уплотнения. В ней перечислены вопросы, на которые должен ответить автор проектируемого агрегата. Если ответа не находится, то в матрицу вносится соответствующие мероприятия, выполнение которых обеспечивает в процессе проектирования и экспериментальной доводки получение исчерпывающего ответа, доказательства. Перечень вопросов составлен на основании данных, как известных из научно-технических литературных источников по теории и практике создания уплотнительных устройств, так и на основании опыта отработки уплотнений разработок КБХА и родственных предприятий, В основном,

37

вопросы касаются достоверности воздействующих факторов. При необходимости матрица предусматривает проведение специального расчетного подтверждения или прямое измерение какого-либо параметра фактора, воздействующего на уплотнение в процессе его работы при огневых стендовых испытаниях (ОСИ) двигателя.

Таким образом, при отработке манжетных уплотнений вала ТНА в КБХА учитываются следующие воздействующие на них факторы.

Внешние:

-химическое воздействие рабочих и технологических сред, в том числе в разных фазовых состояниях;

-скорость трения; -динамическое биение уплотняемой поверхности вала и

статического смещения посадочного места под манжеты относительно ост вала;

-диапазон давления рабочих сред, в том числе на стоянке, при выходе на режим и при останове;

-температура рабочей среды, в том числе подогрев за счет ее подогрева в тракте двигателя и ТНА;

-температура конструкции, в том числе ее изменение за счет дополнительного теплопритока (оттока), вызванного работой двигателя и агрегата;

-давление в дренажах; -кратность и ресурс срабатывания;

-условия хранения, транспортирования и работы двигателя и комплектуемого им изделия в течение заданных гарантийных сроков,

Внутренние:

-минимальные и максимальные радиальные и осевые натяги; -минимальные и максимальные усилия пружин на рабочих

усах манжет; -эластичность рабочего уса (совокупный фактор

характеризующий свойства материала данной партии манжет).

2. Разработка комплексного плана экспериментальной отработки манжетных уплотнений, который включает:

-измерение фактических условий работы манжет при ОСИ двигателей. Для чего специально дорабатываются ТНА и проводятся измерения требуемых параметров во время ОСИ двигателей;

38

-исследование работоспособности манжет проведением их испытаний при воздействии наиболее неблагоприятного сочетания внешних и внутренних факторов, т.е. при минимальных и максимальных значениях натягов, эластичности; при максимальных значениях температуры и давления рабочей среды за гидрозатвором; при максимальных значениях статического смещения манжет и динамического биения вала;

-проведение ускоренного термостарения манжет, эквивалентного заданным срокам хранения и эксплуатации двигателя и комплектуемого им изделия;

-подтверждение работоспособности манжет проведением их испытаний после ускоренного термостарения при воздействии наиболее неблагоприятного сочетания внешних и внутренних факторов;

-оценка исходного и послепускового состояния манжет при дефектации после ОСИ двигателей, прошедших натурное длительное хранение и эксплуатацию в пределах и за пределами гарантийных сроков.

Как видно, из перечисленных мероприятий наиболее важным является экспериментальная доводка манжет.

Решение всех задач по определению работоспособности манжет ТНА при испытаниях в составе двигателей невозможно, поэтому исследование влияния воздействующих факторов, в т.ч. термического старения резин на работоспособность манжетных уплотнений проводятся в специальных имитаторах.

Схема имитатора и стенда для проведения испытаний манжет представлена на рис. 1.

Имитатор представляет собой корпус, в котором установлен вал на подшипниках, охлаждаемых водой. С одной стороны к валу через рессору подсоединяется турбопривод с датчиком оборотов. С другой стороны вал имеет консоль, на которую монтируется втулка с заданной шероховатостью поверхности и гидрозатвор. С этой стороны на имитатор устанавливаются сменные головки с испытуемыми манжетами. Конструкция гидрозатвора, количество и расположение манжет в головке имитатора и в ТНА отличий не имеют. Конструкция имитатора позволяет обеспечить испытания манжет:

39

-при минимальном (максимальном) натяге манжет, что обеспечивается установкой на вал сменных втулок, выполненных с различными величинами диаметров;

-при максимальном (минимальном) смещении посадочного места манжет в корпусе головки относительно оси вала, что обеспечивается перемещением и фиксацией головки относительно корпуса вала;

-при максимальном (минимальном) статическом биении вала, что также обеспечивается установкой сменных втулок, выполненных с различными величинами радиального биения наружной поверхности относительно оси вращения вала имитатора;

Рис. 1.Схема имитатора и стенда для испытаний манжет

-при максимальной (минимальной) температуре рабочей среды и конструкции головки. Необходимая температура рабочей среды достигается термостатироваиием бака с рабочей средой и регулированием расхода через рабочую полость с гидрозатвором, который также при вращении вала создает дополнительный подогрев среды до рабочей температуры. Головка с манжетами перед испытаниями может термостатироватьея до необходимой температуры путем проливки рубашки головки водой (паром) или холодным азотом;

40

- при максимальном давлении рабочей среды с воздействием гидроударов рабочей среды при запуске и останове вала В полости между гидрозатвором и первой манжетой за счет вращения гидрозатвора создается разрежение и устанавливается заданное рабочее давление (давление насыщенных паров).

При испытаниях производится фиксация и запись всех параметров. Визуально контролируется утечка рабочей среды, фактическая величина которой определяется с помощью химпоглотителей.

Критерием работоспособности манжет является обеспечение герметичности. Наиболее тяжелым условиям работы подвергается первая после гидрозатвора манжета, особенно в начальный момент вращения вала, когда весь перепад давления жидкости удерживается первой манжетой. После выхода на основной режим и до конца работы на первую манжету воздействует давление насыщенных паров. По этой причине износ первых манжет значительно больше, чем остальных.

В зависимости от давления (Р) и скорости скольжения (V) уса манжеты по поверхности вала разгерметизация манжет по первому дренажу происходит за короткий промежуток времени. Экспериментальными исследованиями [2] установлено, что небольшой разброс по герметичности обеспечивается при (P·V)

≤250 кгс.м/см2.с. Это подтверждается многочисленными испытаниями в КБХА разных типоразмеров манжет при (P·V) от 83 до 420 кгс.м/см2.с практически при одной и той же продолжительности испытаний. Так, например, при (P·V) от 300 до 420 кгс . м/ см 2 . с были зафиксированы утечки по первому дренажу соответственно со 105 и с 12 с, а при (P·V) = 83 кгс.м/см2.с утечек не наблюдалось и износ манжет незначительный [3].

Очевидно, что при одной и той же скорости скольжения снижение износа первой манжеты (перед гидрозатвором) может быть достигнуто за счет снижения температуры и давления рабочей среды за гидрозатвором. Это оказалось возможным за счет организации перетока под перепадом давления более холодной жидкости в полость за гидрозатвором через несколько осевых отверстий, выполненных в самом гидрозатворе. Для повышения надежности гидрозатворы, с выполненными в них отверстиями, были внедрены а серийные ТНА.

41

В связи с заменой во экологическим причинам отдельных ингредиентов резиновых смесей, используемых при изготовлении серийных манжет, были проведены испытания в имитаторах но подтверждению работоспособности манжет из новых материалов.

Так, например, испытаниями в имитаторах была подтверждена работоспособность манжет, изготовленных из новых марок резин [3], манжет, изготовленных с применением иной клеевой композиции [4].

Одним из важных направлений в поддержании надежности ТНА изделии является обеспечение и поддержание в процессе производства качества резиноармированных манжет, гарантирующего требуемую герметичность уплотнении насосов при заданных условиях эксплуатации. Наиболее объективным методом контроля качества и оценки работоспособности манжет являются приемо-сдаточные испытания (ПСИ).

ПСИ манжет проводятся в имитаторах по специальным методикам. От партии манжет отбираются образцы в количестве, обеспечивающем не менее трех испытаний. Качество манжет проверяется испытаниями при условиях, максимально приближенных к объектовым. ПСИ, проводимые в имитаторах, являются последней контрольной операцией в цикле изготовления манжет.

Таким образом, действующая в КБХА методика выбора и экспериментальной отработки манжетных уплотнений обеспечивает требуемую надежность турбонасосных агрегатов и изделий в целом.

Литература:

1.СТП 256-81-2000. Выбор, отработка и согласование применения комплектующих изделий и неметаллических материалов., КБХА, 2000 г.

2.Голубев Г. А., Кукин Г.М, и др. Контактные уплотнения вращающихся валов, М., Машиностроение, 1976 г.

3.Технический отчет № 110-01-2-94 по результатам испытаний манжетных уплотнений, КБХА, 1994 г.

Техническая справка № 110-01-66-98 по результатам испытаний манжет, изготовленных с применением клеевой композиции 51-К-19-2 и 51-К-24-30, КБХА, 1998 г.

42