Тезисы докладов XXVIII научно-технической конференции ПГТУ по результат

перепадах давлений (до 200 МПа), эти силы могут достигать сотни ньютонов, а потому не могут быть не учтены,

В основу расчета предохранительного клапана прямого дейст­ вия, работающего на высоком давлении, положены исследования ав­ тора, проведенные в цилиндрических золотниковых устройствах, а также данные литературы по расчету конических клапанов. Есть та­ кое открытие окна золотника, при котором гидродинамическая сила меняет направление действия. Такое положение может привести к не­ устойчивой работе клапана, а значит, и всей системы. Правильный расчет гидродинамической силы позволяет избежать такого состоя­ ния гидроаппарата.

У Ж 621.67.001

ПУТИ МОДЕРНИЗАЦИИ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ СЕКЦИОННЫХ НАСОСОВ ТИПА ЦНС

Н.В.1Усин, 0.В.Шекунова

Центробежные многоступенчатые секционные насосы типа ЦНС ши­ роко применяются в народном хозяйстве. При содержании в воде зна­ чительного количества механических примесей происходит быстрый износ рабочих органов, в первую очередь рабочих колес. Замена вы­ шедших из строя колес является наиболее сложной проблемой при ре­ монте, так как основной производитель этих насосов находится за рубежами России.

Основной тип рабочих колес, используемых в насосах типа ЦНСг это колеса с лопастями двойной кривизны. Они сложны в изготовле­ нии и требуют, как правило, применения литья в песчаные формы. Однако анализ показывает, что применение колес с лопастями двой­ кой кривизны не всегда оправдано. Они используются в большинстве существующих насосов как в первых ступенях, так и в промежуточных ПРИ больших и низких коэффициентах быстроходности. Если примене­

двойной кривизны в колесах первой и промежуточных ступеней и стремлением к унификации, так как ступени выполнены отличающимися

друг от друга• По-видимому, существующее положение объясняется ус­ таревшими подходами к расчету и проектированию рабочих колес.

Рабочие колеса с цилиндрическими лопастями проще в изготовле­ нии, при соответствующих размерах позволяют использовать литье под давлением и применять износостойкие пластмассы, при этом обеспечи­ вается большая точность и чистота поверхностей. Они могут быть рас­ считаны и спроектированы с хорошими'кавитационными и энергетически­ ми качествами при коэффициентах быстроходности до 200-250, т.е. в значительно более широком диапазоне, чем обычно рекомендуется (до 90).

УДК 621.671

0 ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЦЕНТРОСТРЕМИТЕЛЬНОЙ СТУПЕНИ В КАЧЕСТВЕ ПЕРВОЙ В ЦЕНТРОБЕЖНЫХ СКВАЖИННЫХ НАСОСАХ

Н.В.1Усин, Н.В.Гонцева

Центробежные скважинные электронасосы широко применяются для водоснабжения, водопонижения в горнорудной промышленности и строи­ тельстве, при осушении. Особенностью их эксплуатации является то, что они перекачивают воду со значительным содержанием механических примесей. Последние проходят вместе с водой через проточную часть, вызывая интенсивный износ рабочих органов и ухудшая условия работы подшипников. Все это снижает надежность и долговечность конструкции. Для увеличения срока службы рабочие органы изготавливают из износо­ стойких материалов. Для улучшения работы подшипников принимают спе­ циальные конструктивные меры. В результате агрегат усложняется и удорожается.

Одним из путей решения данной проблемы является применение в качестве первой ступени устройства, состоящего из входного направ­ ляющего аппарата, центростремительного рабочего колеса и выходного направляющего аппарата, подводящего поток к обычной центробежной ступени. Возможность создания центростремительной насосной ступени вытекает из анализа уравнения Эйлера для турбомашин. При вращении ротора вода, направленная входным направляющим аппаратом, захваты­ вается вместе со взвешенными в ней примесями центростремительным колесом. Взвешенные твердые частицы, имея большую плотность, чем

вода, отбрасываются центробежными силами, развиваемыми при враще­ нии центростремительного колеса и. таким образом, не попадают в последующие ступени. Из износостойких материалов в данном случае выполняется только центростремительная ступень.

Более низкий КПД центростремительной ступени не имеет сущест­ венного значения, так как она проектируется на меныпий напор, чем центробежные ступени. Доля потребляемой ею мощности невелика по сравнению с мощностью, потребляемой остальными центробежными сту­ пенями.

УДК 622.276.53

РАСЧЕТ ШДРОДИНАМИЧЕСКИХ УСИЛИЙ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТШИ КОЛОННЫ ШТАНГ С ЖИДКОСТЬЮ В НЕФТЯНОЙ НАСОСНОЙ УСТАНОВКЕ ТИПА "КАЧАЛКА"

Н.В.1усин

При работе штанговой насосной установки колонна штанг, совер­ шающая вертикальное возвратно-поступательное движение, взаимодей­ ствует с жидкостью в насосной колонне труб. В результате этого взаимодействия возникают дополнительные гидродинамические усилия на штангах и в точке их подвеса. Они складываются:

-из жидкостного трения на гладких участках штанг;

-из жидкостного трения при обтекании соединительных муфт;

-из жидкостного трения при обтекании поверхностей центрато­ ров и скребков;

-из поршневого эффекта от соединительных муфт, центраторов

искребков.

Из дополнительных гидродинамических усилий существующие ме­ тодики учитывают только жидкостное трение на гладких участках штанг и по муфтам. Вывод расчетных формул основан на представле­ нии взаимодействия колонны штанг с жидкостью как неустановившегося напорного движения между двумя коаксиальными цилиндрами.

Движение жидкости при возвратно-поступательном перемещении штанг не является напорным. Оно инициировано не перепадом давле­ ния, а трением жидкости о штанги, т.е. является чисто фрикцион­ ным движением. На это движение накладывается при ходе штанг вниз

во время процесса нагнетания* напорное движение от насосной подачи.

На основе модели фрикционного течения между колонной штанг и насосной колонной труб представлены расчетные зависимости для определения гидродинамических усилий от жидкостного трения по всем элементам колонны штанг и поршневого эффекта от муфтовых соединений, центраторов и скребков как для незапарафиненной, так

и для запарафиненной скважины. Для незапарафиненной скважины уси­ лия от жидкостного трения и поршневого эффекта составляют 2- 5 % от максимальной нагрузки на колонну штанг, для запарафинен­ ной - до 25 %, причем в последнем случае основная доля приходит­ ся на усилия от поршневого эффекта.

УДК 621.65.001.5

НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ НАСОСА ВЫСОКОГО Д А В Ш Ш

СКЛАПАННЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ

А.В.Горбунов

Насосы высокого давления с клапанным распределением исполь­ зуются в составе агрегатадля обработки нефтяных скважин.

В процессе эксплуатации таких насосов возникают дефекты: разрушение узла клапан-седло и разрушение трубопровода. При работе насоса имеют место высокие уровни вибраций, которые свя­ заны с динамическими процессами внутри агрегата.

Существующая теория не может объяснить возникновение вибра­ ции в объемных насосах. Она рассматривает неравномерность расхо­ да и давления как следствие особенностей кинематики механизма насоса. При этом принимается, что жидкость несжимаема. Указанные

вредно воздействуют на систему насос-трубопровод .

Модель, которая с достаточной точностью описывает работу та­ кой системы, должна основываться на уравнениях динамики жидкости,

а также на уравнениях движения клапанов насоса. Результаты анали­ за модели помогут найти пути снижения вредного влияния вибрации и повышения ресурса агрегата в целом.

УДК 621.65.001.5

К ВОПРОСУ РАЗРАБОТКИ НОВОЙ ТЕОРИИ ОБЬИЙНЫХ ШДРОМАШИН

Ю.М.Орлов

Существующая до сих пор теория объемных гидромашин, основан­ ная на принципе отсутствие* сжимаемости жидкости, связывает нерав­ номерность расхода на нагнетании только с кинематической неравно­ мерностью механизма гидромашины.

алеете с тем, многочисленные и очень тонкие эксперименталь­ ные исследования динамических процессов на нагнетании и на вса­ сывании, выполненные в последние годы, показывают, что в реаль­ ных условиях пульсация расхода и давления в гидромашинах опреде­ ляется особенностями рабочего процесса, который зависит от коле­ бательных явлений при переходе рабочего органа из зоны всасывания в зону нагнетания и обратно.

На основании современных экспериментальных генных можно ут­ верждать, что колебательные явления на стороне нагнетания и на стороне всасывания объемных гидромашин являются полигармоническими. В составе спектра пульсации давления и расхода гидромашины помимо основной (плунжерной, пластинчатой и т.д.) частоты при­ сутствуют высокочастотные гармоники с частотами, кратными основ­ ной. Количество гармоник спектра может достигать двадцати и более.

Первые работы по исследованию рабочего процесса в быстроход­ ных плунжерных насосах, выполненные в 70-80-е годы в Пермском го­ сударственном техническом университете, показали возможность раз­ работки новой теории объемных гидромашин - теории рабочего процесса.

УДК 621.664

РАЗРАБОТКА МИНИАТЮРНОГО ШЕСТЕРЕННОГО НАСОСА ДЛЯ ГИДРОПРИВОДА

Ю.М.Орлов, Р.В.Макаров

Для различных видов ручного гйдрофицированного инструмента: подъемных устройств, пресс-ножниц, гайковертов и других, необхо­ дима малогабаритная переносная гидростанция с достаточно мощным насосом.

В качестве насоса может быть использована объемная гидрома­ шина, имевдая минимальную массу, простая по конструкции и доста­ точно технологичная в изготовлении. С другой стороны, такой на­ сос должен работать при достаточно высоком давлении на нагнета­

ренные топливные насосы, созданные для некоторых видов ракетной техники.

Последние, однако, требуют значительных конструктивных изме­ нений как по корпусу, так и по другим деталям. Наиболее перспек­ тивными, по нашему мнению, являются создание и доводка втулокподшипников из дешевых антифрикационных материалов и разработка упрощенной схемы гидравлического подкатил втулок к шестерням.

Первые разработки показали наличие больших возможностей по созданию миниатюрного шестеренного насоса высокого давления.

УДК 539

ТЕХНОЛОГИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ УГ1ЕР0Д-УГЛЕР0ДЦЫХ КОМПОЗИТОВ И КОНСТРУКЦИЙ. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ МОНОГРАФИИ

Ю.В.Соколкин, А.М.Вотинов, А.А.Ташкинов, А.АЛекалкин

В монографии рассмотрены вопросы технологии и механики утле- род-углеродных композитов и конструкций на их основе. Приведены основные технологические способы получения углеродных композитов с углеродной матрицей. Изложен один из перспективных технологичес-

ких способов пропитки и уплотнения углеродного каркаса углеродом - термоградиентный метод. Разработана математическая модель кинети­ ки процесса насыщения углеродов и исследовано влияние технологи­ ческих факторов на структуру и свойства углеродного композита. Не­ сомненный интерес представляют предложенные способы повышения ме­ ханических свойств углерод-углеродных композитов. Приведены диа­ граммы деформирования и прочностные свойства углеродных композитов.

На основе структурно-феноменологического подхода получены оп­ ределяющие соотношения, учитывающие взаимодействие процессов де­ формирования и разрушения на макро- и микроуровнях. Разработаны ме­ тодики прогнозирования упругих, прочностных и теплофизических свойств, а также трещиностойкости данного класса композитов. При­ ведены результаты исследования поведения и прогнозирования несущей способности тонкостенных и пространственных конструкций из утлеродутлеродных композитов.

Авторы благодарны Российскому фонду фундаментальных исследова­ ний за финансовую поддержку (проект 94-01-00227 а). Предполагаемый срок выхода книги в издательстве "Наука" - вторая половина 1995 г.

УДК 539.3:539.4:678.067

АНАЛИЗ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОГО ПОВЕДЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

СУПРОЧНЕННЫМ ПОВЕРХНОСТНЫМ СЛОЕМ

А.А.Ташкинов,С.Г.Иванов,И.Г.Удинцев,В.Ю.Чунаев

Изделия из пространственно-армированного углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ) с 3-J ортогональной структурой создаются, как правило, для работы при высоких температурах, на­ пример в сопловых блоках ракетных двигателей. С внутренней поверх­ ности изделия, находящейся под действием потока горячих газов про­ исходит интенсивный унос материала. Для таких материалов величина уноса составляет 0,145-0,18 мм/с. Реальное улучшение характеристик изделия возможно при снижении в новых УУКМ величины уноса до 0,05 мм/с. Такое снижение может быть достигнуто при уплотнении поверхностного слоя карбидом кремния, осаждаемым из газовой фазы.

Прочности силицированного КИМФ на растяжение и сжатие оказались на 20-30 % ниже прочности исходного материала.

Для решения поставленной в работе задачи нестационарной нели­ нейной теплопроводности для определения температурного поля в раз­ личные моменты времени в сечениях осесимметричных конструкций при­ менялись метод конечных элементов и временное рекуррентное соотно­ шение, позволяющее реализовать пошаговый процесс от начального до требуемого момента времени.

Для расчета напряженно-деформированного состояния конструкции из УУКМ с уплотненным поверхностным слоем под действием силовой* (внутреннее давление) и температурной нагрузки - найденного темпе­ ратурного 'поля T(r,t), использовался метод конечных элементов.

Анализ НДС в критическом сечении сопла показывает эффектив­ ность упрочнения насыщением поверхностного слоя не только с точки зрения уменьшения уноса, но и с точки зрения улучшения механичес­ кого состояния. Уплотнение поверхностного слоя приводит к лучшим соотношениям между напряжениями и прочностями, несмотря на сниже­ ние пределов прочности на растяжение и сжатие. Это происходит, по нашему мнению, за счет более низких значений КЛТР у силицированно­ го материала.

У Ж 620

СТАТИСТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ

ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

А.А.Чекалкин

Проектирование конструкций летательных аппаратов во многом свя­ зано с растущим использованием различных по назначению, структуре и компонентам композитных материалов для создания высокоответственных несущих элементов и узлов ракетно-космической техники. Задачи раци­ онального проектирования приводят к необходимости развития математи­ ческих моделей и методов решения стохастических краевых задач дефор­ мирования и процессов исчерпания несущей способности элементов кон­ струкций аэрокосмической техники.

В рамках моделей механики неоднородных сред несущая компо­ зитная конструкция может быть исследована как деградирующая сис­ тема связанных дискретных элементов, а ее надежность определена путем интегрирования кинетических уравнений балансового типа для вектора переходных вероятностей. При этом полагается, что коли­ чество статистически возможных состояний системы счетно, а зна­ чения компонент матрицы интенсивностей переходов вычисляются пу­ тем решения соответствующих краевых задач механики неоднородных конструкций. В этом случае надежность композитной конструкции и процесс исчерпания несущей способности будет связан со статисти­ ческой последовательностью отказов компонентов композитного ма­ териала в процессе деформирования, которая образует марковскую цепь событий.

При использовании данного подхода процессы деформирования и разрушения композитной конструкции являются связанными и рассмат­ риваются как на структурном, так и на макроскопическом уровнях, что позволяет исследовать механизмы исчерпания несущей способно­ сти, учесть статистическую природу прочности, начальной поврежденности и несовершенств структуры композита, выявить влияние па­ раметров технологического процесса создания материала и конструк­ ции на надежность системы, оценить надежность конструкции при случайных внешних воздействиях и с учетом истории нагружения.

Выполнение данной работы во многом оказалось возможным бла­ годаря гранту по фундаментальным исследованиям в области авиаци­ онной и ракетно-космической техники 1993/94 г.

УДК 539.21:621.762

МЕХАНИКА УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ СТРУКТУРНО-ШЮДНОРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ДЕТАЛЕЙ И ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ КОМПОЗИТОВ

А.В.Бабушкин, Ю.В.Соколкин, студентка Е.А.Коромыслова

Механическое поведение порошковых композитов в условиях цик­ лического нагружения описывается в рамках механики деформируемого твердого тела. Математическая модель реализует структурно-феноме­ нологический подход и позволяет решать связанную краевую задачу механики по определению эффективных усталостных характеристик ма­

териала, опираясь на данные о структуре и свойствах ее компонен­ тов, а также обратную задачу. Численная реализация математической модели основана на процедуре метода конечного элемента.

Экспериментальные исследования образцов из ряда порошковых материалов на основе железа показали, что ресурс изделия опреде­ ляется временем накопления микроповреждений. Поэтому в рамках численной реализации математической' модели деформирования и раз­ рушения порошковых композитов для элементов структуры принята ли­ нейная модель накопления микроповреждений Коффина - Мэнсона и мо­ дель наислабейшего звена для макроразрушения. Для построения моде­ ли использовались данные о структурных составляющих и их механи­ ческих свойствах, а также результаты измерения объемной пористо­ сти (гидростатический метод) порошковых композитов. Сравнение расчетных данных прогнозирования ресурса изделий (образцов) по­ рошковых композитов с экспериментальными подтвердило адекватность модели. Данная математическая модель и результаты экспериментов были использованы при исследовании усталостных характеристик ря­ да порошковых композитов. При этом были определены пределы вынос­ ливости и особенности усталостного разрушения композитов. Так, например, исследовано влияние углерода и характер нагружения (мягкое - жесткое) на усталостные свойства порошковых сталей. При исследовании влияния пористости на выносливость порошкового желе­ за определился немонотонный характер этой зависимости.

Работа выполнена при финансовой поддержке в рамках исследова­ тельской программы "Технические университеты”.

УДК 681.3

ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА "КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И КОНСТРУКЦИИ”

А.Н.Аношкин, А.Г.Котов, Ю.В.Соколкин, студентка А.В.Юницкая

Информационная система "Композиционные материалы и конструк­ ции" предназначена для решения проблемы создания новых композици­ онных материалов (КМ) и элементов конструкций на их основе с за­ данным комплексом физико-механических, физико-химических и тепло­ физических свойств и оптимальными параметрами изделий.