МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ПОДІЛЛЯ

(м. Хмельницький)

имощук Олександр Григорович

УДК 621.81

Розробка методів розрахунку

та експериментального дослідження герметичності

беззмащувальних циліндро-поршневих ущільнень

Спеціальність 05.02.02 - Машинознавство

Автореферат дисертації на здобуття

наукового ступеня кандидата технічних наук

Хмельницький - 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Технологічному університеті Поділля Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник -

доктор технічних наук,

Doktor-Ingenieur habilitatus,

професор Семенюк Микола Федорович

Технологічний університет Поділля,

професор кафедри машинознавства

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук,

професор Рудницький В’ячеслав Броніславович,

Технологічний університет Поділля,

завідуючий кафедрою вищої математики

та застосувань комп’ютерів

кандидат технічних наук,

Шеремета Роман Микитович,

Національний університет "Львівська політехніка",

доцент кафедри електронного машинобудування

Провідна установа:

Одеський національний політехнічний університет,

кафедра теоретичної механіки і машинознавства

Захист відбудеться 16 січня 2003 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д70.052.02 при Технологічному університеті Поділля за адресою: 29016 Хмельницький, вул. Інститутська, 11, 3-й учбовий корпус

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці

Технологічного університету Поділля (вул. Кам’янецька, 110/1)

Автореферат розісланий 7 грудня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук, професор Калда Г.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В різних машинах, наприклад, в компресорах, все ширше застосування знаходять беззмащувальні поршневі ущільнення. Важливе значення компресори з беззмащувальними поршневими ущільненнями мають для фармацевтичної промисловості, холодильної, криогенної техніки та для інших галузей економіки. В виробництві поліетилену, поліпропілену, поліамідних смол і інших пластмас, а також на комбінатах по переробці пластмас в штучне волокно беззмащувальні компресори є просто необхідними і застосовуються для стиснення етилену, пропілену, сухого азоту, повітря і інших газів. Вони використовуються для рециркуляції газів, створення кипучого шару в процесі сушки, транспортування сипучих продуктів, інтенсифікації процесів в харчовій промисловості, в приладах автоматики та контрольно-вимірювальних приладах, в низькотемпературних установках і т.д. Використання беззмащувальних компресорів, які нагнітають чистий газ, не тільки підвищує якість і знижує вартість кінцевого продукту, але й відкриває великі можливості для інтенсифікації та автоматизації технологічних процесів в багатьох галузях промисловості.

Вже на стадії проектування необхідно вміти оцінити натікання в циліндро-поршневих ущільненнях. Методи розрахунку герметичності базуються на поєднанні фізичних законів, що описують процес натікання робочого середовища з закономірностями, що визначають характеристики контакту шорстких поверхонь, такі як фактична площа контакту, міжконтактний об’єм, середній зазор. Втрати робочого середовища залежать від кубу середнього зазору, тому похибка в 20% в визначенні цієї величини призводить до похибки в 73% (1,23=1,728) при розрахунку натікань. Таким чином, точність розрахунку натікань визначальною мірою залежить від точності визначення характеристик контакту.

Існуючі методи розрахунку герметичності використовують формули визначення характеристик контакту за способом опорних кривих. Цей спосіб має низьку точність внаслідок того, що він не бере до уваги, що профілограма дає спотворене уявлення про поверхню, оскільки проходить не через вершини виступів, а схилами нерівностей. Значення величини згладжування та максимальної висоти нерівностей, необхідні для визначення характеристик контакту, визначаються за способом опорних кривих з дуже низькою точністю – для точного визначення цих величин необхідно, щоб профілограма пройшла одночасно через найвищу вершину поверхні та через саму глибоку впадину, ймовірність цього практично рівна нулю. Значно точніше характеристики контакту можна визначити за способом стохастичних процесів. Суть цього способу полягає в тому, що шорстка поверхня розглядається як реалізація стохастичного поля. На підставі способу стохастичних процесів вже розроблено ряд методів розрахунку робочих характеристик машин. В результаті були отримані розрахункові методи, які кожного разу були кращі в порівнянні з розрахунковими методами, що використовують опис шорсткості за способом опорних кривих. Все це дає підстави розглядати спосіб стохастичних процесів як перспективний і при розробці методів розрахунку герметичності циліндро-поршневих ущільнень.

Зважаючи на сказане вище, розробка на основі теорії стохастичних процесів методу розрахунку герметичності беззмащувальних циліндро-поршневих ущільнень є важливою і актуальною задачею.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконувалась в відповідності з перспективним планом науково-дослідної роботи Технологічного університету Поділля (м. Хмельницький) на 1992 – 2000 рр. за пріоритетним напрямком “Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології” (програма “Підвищення надійності та довговічності машин і конструкцій”), вказаним в Постанові Верховної Ради України № 2705 від 16.10.92 р. з подальшими доповненнями.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є розробка на основі теорії стохастичних процесів методу розрахунку герметичності беззмащувальних циліндро-поршневих ущільнень. Для досягнення поставленої мети вирішувались наступні задачі.

· Скласти огляд найбільш обгрунтованих та розроблених на даний час методів розрахунку герметичності та конструкцій експериментальних установок.

· Використовуючи моделювання шорсткої поверхні стохастичним процесом, розробити методи розрахунку характеристик контакту циліндро-поршневих ущільнень, необхідних для визначення натікань.

· Розробити математичну модель процесу натікання - вивести співвідношення, які пов’язують натікання з параметрами шорсткості, навантаженням та фізико-механічними властивостями матеріалів контактуючої пари.

· На основі розробленої математичної моделі створити інженерну методику визначення герметичності.

· Розробити конструкцію експериментальної установки, методику проведення експериментальних досліджень та провести експериментальну перевірку розробленої інженерної методики розрахунку герметичності.

· Дослідити залежність натікань від параметрів шорсткості, навантаження та фізико-механічних властивостей контактуючої пари.

Об’єкт дослідження – процеси натікання середовища в беззмащувальних циліндро-поршневих ущільненнях.

Предмет дослідження – беззмащувальні поршневі ущільнення.

Методи дослідження – моделювання шорстких поверхонь на підставі теорії стохастичних процесів, використання рівнянь, що описують плин газу при різних режимах, експериментальні дослідження з використанням оригінальних стендів.

Наукова новизна одержаних результатів.

· Розроблені інженерні методи розрахунку основних характеристик контакту шорстких поверхонь беззмащувальних циліндро-поршневих ущільнень – міжконтактного об’єму, ефективного рівня деформації, середньої висоти зазору та площі шорсткої поверхні. Проаналізовано вплив властивостей матеріалів та умов контактування на характеристики контакту.

· Розроблені методи розрахунку герметичності циліндро-поршневих ущільнень. При цьому створені інженерні методи розрахунку щільності каналів, площі поверхні стику, що омивається середовищем, еквівалентного діаметру каналів, натікання в ущільненні при різних режимах – в’язкісному, молекулярному, перехідному.

· Розроблено експериментальну установку та методику проведення експерименту. Запропоновано рівняння для розрахунку номінального контактного тиску в ущільненні, виведена формула тривалості натікання газу. Розроблений метод ідентифікації характеристик шорсткості поверхні поршня за експериментально визначеною тривалістю натікання газу. Вивчений вплив шорсткості поверхні, модуля пружності поршня та контактного напруження на герметичність. Експериментальні дослідження довели високу ефективність розроблених розрахункових методів.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені інженерні методи розрахунку основних характеристик контакту та герметичності беззмащувальних циліндро-поршневих ущільнень можуть використовуватись при проектуванні машин та механізмів, в яких використовуються такі ущільнення. Метод ідентифікації характеристик шорсткості за експериментально визначеною тривалістю натікання газу може бути використаний при визначенні параметрів шорсткості реальних деталей машин.

Особистий внесок здобувача. Дисертація містить лише ті наукові результати, які отримані дисертантом особисто. Постановка задач та обговорення результатів досліджень виконані спільно з науковим керівником. Спільно з Лук’янюком М.В. [1, 7] здійснювалось виготовлення та монтаж установки, а з Калдою Г.С. [1] – методичні аспекти оцінки результатів експериментів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи та окремі її результати доповідались на міжреспубліканській науково-технічній конференції “Якість та надійність вузлів тертя” (Хмельницький, 1992 р.), міжнародній науково-технічній конференції “Вдосконалення обладнання легкої промисловості та складної побутової техніки” (Хмельницький, 1993 р.), науково-практичній конференції з нагоди презентації Технологічного університету Поділля “Наукові основи сучасних прогресивних технологій” (Хмельницький, 1994 р.), міжнародній науково-технічній конференції “Ресурсо- та енергозберігаючі технології легкої промисловості” (Хмельницький, 2000 р.), засіданнях наукового семінару кафедри машинознавства, кафедри машин та апаратів і на щорічних (1992-2002 рр.) наукових конференціях Технологічного університету Поділля.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи викладені в 6 статтях (усі - в фахових виданнях) та 4 тезах доповідей наукових конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Робота виконана на 184 сторінках машинописного тексту, містить 61 рисунок, 12 таблиць, список використаних джерел з 189 найменувань та 61 додаток. Загальний обсяг дисертації – 386 сторінок.

СНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ розкриває сутність і стан наукової проблеми та її значущість, підстави і вихідні дані для розробки теми, обгрунтування необхідності проведення дослідження, дається загальна характеристика дисертації.

В розділі 1 проаналізовані існуючі методи розрахунку герметичності циліндро-поршневих ущільнень, сформульовані завдання подальших досліджень.

Розділ 2 присвячений аналізу експериментальних досліджень герметичності циліндро-поршневих ущільнень, зроблено висновок про необхідність розробки експериментальної установки та методики проведення експериментальних досліджень герметичності циліндро-поршневих металополімерних ущільнень в широкому діапазоні зміни параметрів і режимів експлуатації.

Розділ 3 присвячений розробці методів розрахунку основних характеристик контакту шорстких поверхонь беззмащувальних циліндро-поршневих ущільнень. Розрахункові методи грунтуються на опису шорсткості за теорією стохастичних процесів. З-за переформування матеріалу шорсткої поверхні в процесі навантаження слід розрізняти дві середні площини (рис. 1) шорсткої поверхні – середню площину шорсткої поверхні до деформування (відстань від гладкої поверхні до цієї середньої площини називається рівнем деформації h) і середню площину шорсткої поверхні після деформування (відповідна відстань називається ефективним рівнем деформації u).

Рис. 1 Схема контактування

Величина h характеризує контактне зміщення поверхонь та нормальну контактну жорсткість стику. Величина ж u важлива при розрахунках натікання рідини чи газу через стик. Показано, що зв’язок між рівнем деформації h і ефективним рівнем деформації u описується рівнянням:

, (1)

де ; hg=-0,845 - граничний рівень деформації (рівень деформації, при якому площа контакту рівна площі перерізу).

В графічній формі зв’язок між рівнем деформації h і ефективним рівнем деформації u показаний на рис. 2.

Рис. 2 Зв’язок між рівнем деформації h

і ефективним рівнем деформації u

Для міжконтактного об’єму отримана розрахункова формула:

, (2)

де

; ; .

Значення, розраховані за точною та розрахунковою формулою міжконтактного об’єму різняться не більше, ніж на 0,17 при К 1 та не більше, ніж на 0,00029 при К > 1.

Оскільки безрозмірна величина К залежить від номінального напруження в контакті (?n), фізико-механічних властивостей матеріалів (зведеного модуля Юнга E та шорсткості контактуючих поверхонь (градієнта поверхні q), то її називають комплексом умов контактування. Зведений модуль Юнга E розраховують за формулою:

,

де ?1 ,н2 , E1, E2 - коефіцієнти Пуассона та модулі Юнга контактуючих матеріалів.

Градієнт поверхні визначають за формулою:

,

де Ra - середньоарифметичне відхилення точок профілю;

Sm - середній крок нерівностей по середній лінії.

Для розрахунку ефективного рівня деформації отримано рівняння

, (3)

на підставі якого виведена розрахункова формула:

. (4)

Значення, розраховані за точною та розрахунковою формулою ефективного рівня деформації різняться не більше, ніж на 0,11 при К0,7, 0,065 - при 0,7<К2 та не більше, ніж на 0,15 при 2<К5.

Для визначення середньої висоти зазору виведена точна формула

, (5)

на основі якої отримана розрахункова формула:

. (6)

Значення, розраховані за точною та розрахунковою формулою середньої висоти зазору різняться не більше, ніж на 0,14 при К1 та не більше, ніж на 0,01 при К>1.

Досліджена залежність міжконтактного об’єму (рис. 3а), ефективного рівня деформації (рис. 3б) та середньої висоти зазору (рис. 3в) від комплексу умов контактування. Встановлено, що при малих навантаженнях рівень деформації h, ефективний рівень деформації u, зведений міжконтактний об’єм та зведена середня висота зазору чисельно рівні.

Для визначення питомої площі шорсткої, сильно анізотропної поверхні, тобто відношення площі шорсткої поверхні до номінальної площі контакту, виведена точна формула:

, (7)

де m2 - спектральний момент другого порядку;

K0(…), K1(…) - модифіковані функції Бесселя.

а) б)

в) Рис. 3 Залежність міжконтактного

об’єму (а), ефективного рівня деформа-

ції (б) та середньої висоти зазору (в) від

комплексу умов контактування

Показано, що асимптотична формула для випадку великих значень m2 має вигляд:

.

і збігається з формулою градієнта цієї поверхні.

Досліджена залежність питомої площі шорсткої, сильно анізотропної поверхні від спектрального моменту другого порядку (рис. 4).

На підставі точної формули отримані два варіанти розрахункової формули:

(8)

та

. (9)

Значення, розраховані за точною та розрахунковими формулами питомої площі шорсткої поверхні різняться не більше, ніж на 0,063, або ж на 0,6%.

Рис. 4 Залежність питомої площі поверхні

від спектрального моменту другого порядку

Розділ 4 присвячений розробці методів розрахунку герметичності беззмащувальних циліндро-поршневих ущільнень. Для визначення щільності каналів виведена точна формула:

. (10)

На підставі точної формули отримана розрахункова формула:

. (11)

Значення, розраховані за точною та розрахунковою формулою щільності каналів різняться не більше, ніж на 0,0045.

Залежність щільності каналів від комплексу умов контактування (рис. 5) носить екстремальний характер.

З ростом комплексу умов контактування щільність каналів зразу зростає, а потім зменшується. Це пояснюється впливом процесу злиття плям контакту в процесі навантаження. Максимальна кількість каналів досягається при К=0,69315 і становить .

Рис. 5 Залежність щільності каналів від

комплексу умов контактування

Виведена точна формула питомої площі поверхні стику, що омивається середовищем:

, (12)

де S - питома площа шорсткої поверхні.

Досліджена залежність зведеної площі поверхні стику, що омивається середовищем, від комплексу умов контактування (рис. 6). Зведеною площею поверхні стику, що омивається середовищем, названо відношення .

Рис. 6 Залежність зведеної площі поверхні

стику, що омивається середовищем, від

комплексу умов контактування

На підставі точних формул для питомої площі поверхні стику, що омивається середовищем, отримано два варіанти розрахункових формул:

(13)

та

. (14)

Значення, розраховані за точною та розрахунковими формулами питомої площі поверхні стику, що омивається середовищем, різняться не більше, ніж на 6,1%.

Режим натікання газу в ущільненні визначається за критерієм Кнудсена, тобто за величиною співвідношення :

· – молекулярний режим;

· – в’язкісний режим;

· – перехідний режим,

де dекв – еквівалентний діаметр каналів;

- середня довжина вільного пробігу молекули газу, яка розраховується за формулою:

,

де k – стала Больцмана;

T – абсолютна температура газу;

dm – ефективний діаметр молекули газу;

pcp - середній тиск газу в ущільненні.

Для знаходження еквівалентного діаметру каналу часто користуються поняттям еквівалентного гідравлічного діаметру. Цей підхід виправдовує себе в тих випадках, коли висота і ширина каналу не дуже різняться. В той же час, поняття еквівалентного гідравлічного діаметру непридатне до розрахунку плину газу в контакті шорстких тіл. Для розрахунку еквівалентного діаметру запропонована формула:

, (15)

де dF, dP - еквівалентні діаметри каналів, знайдені відповідно на підставі їх площі та периметру.

Виведені точні формули еквівалентних діаметрів dF, dP:

; (16)

, (17)

де m0, m2, m4 - спектральні моменти.

Досліджена залежність еквівалентних діаметрів dF, dP від комплексу умов контактування (рис. 7).

На підставі точних формул отримані розрахункові формули:

; (18)

. (19)

а) б)

Рис. 7 Залежність еквівалентних діаметрів (а) та (б)

від комплексу умов контактування

Значення, розраховані за точною та розрахунковою формулою зведеного еквівалентного діаметру різняться не більше, ніж на 9%, для зведеного еквівалентного діаметру різниця не перевищує 10%.

Для випадку в’язкісного плину газу в циліндро-поршневому ущільненні отримана точна формула розрахунку натікань:

, (20)

де d, b - відповідно діаметр та ширина ущільнюючої поверхні; ?B - динамічна в’язкість газу; p2, p1 - тиск газу на вході на виході ущільнюючого елементу (p2>p1).

На підставі точної формули отримана розрахункова формула:

, (21)

де

. (22)

Значення, розраховані за точною та розрахунковою формулою зведеного натікання різняться не більше, ніж на 6%.

Натікання при в’язкісному плині газу QB прямо пропорційне кубові середньоарифметичного відхилення Ra точок профілю, діаметрові ущільнюючої поверхні d, різниці квадратів тиску газу на вході і на виході ущільнюючого елементу. Натікання QB обернено пропорційне динамічній в’язкості газу ?B та ширині ущільнюючої поверхні b. Із збільшенням питомої площі шорсткої поверхні та S та комплексу умов контактування К натікання зменшується. Висновок про пропорційність натікання при в’язкісному плині газу кубові середньоарифметичного відхилення точок профілю підтверджений результатами експериментальних досліджень інших авторів.

Для випадку молекулярного плину газу в циліндро-поршневому ущільненні отримана точна формула розрахунку натікань:

, (23)

де - середня швидкість молекул газу; R – молярна газова стала, Дж/(мольК); Т – абсолютна температура газу, К; - молярна маса газу, кг/моль.

На підставі точної формули отримана розрахункова формула:

, (24)

де

. (25)

Значення, розраховані за точною та розрахунковою формулою зведеного натікання різняться не більше, ніж на 4%.

Натікання при молекулярному плині газу QM прямо пропорційне квадратові середньоарифметичного відхилення Ra точок профілю діаметрові ущільнюючої поверхні d, середній швидкості молекул газу Vg, різниці тиску газу на вході і на виході ущільнюючого елементу. Натікання QM обернено пропорційне ширині ущільнюючої поверхні b. Із збільшенням питомої площі шорсткої поверхні та S та комплексу умов контактування К натікання зменшується.

Натікання при перехідному режимі плину газу QU можна знайти на підставі значень, розрахованих для в’язкісного та молекулярного режимів:

QU= QB+z QM , (26)

де

.

Розділ 5 присвячений експериментальній перевірці розроблених розрахункових методів. Розроблена експериментальна установка для дослідження герметичності циліндро-поршневих металополімерних ущільнень в широкому діапазоні параметрів і режимів експлуатації, яка відрізняється високою точністю вимірювань, універсальністю, нескладною конструкцією, простотою експлуатації і управління. Конструкція установки включає дослідний зразок, системи газозабезпечення, регулюючих і управляючих пристроїв, контрольно-вимірювальні прилади. На рис. 8 зображена принципова пневматична схема установки.

Рис. 8 Схема пневматична принципова

експериментальної установки

Дослідний зразок служить для дослідження герметичності циліндро-поршневого ущільнення. Його конструкція дозволяє шляхом вимірювання тиску в середині порожнистого поршня (зразка) змінювати напруження в зоні контакту між ущільнюючим кільцем поршня і циліндром (рис. 9). Дослідний зразок складається з циліндра (Ц) , поршня-зразка (П), фланця (Ф), ущільнюючих кілець (УК), шпильок (Ш). Особливістю даного зразка є наявність відвідних каналів (О) і кільцевої порожнини (К) поруч з елементом поршня, що імітує ущільнююче кільце.

Рис. 9 Конструкція вимірювальної частини

експериментальної установки

Поршні-зразки виготовлені з композиційних полімерних матеріалів, а циліндр і фланець - стальні.

Система газозабезпечення складається з газового балона АК1 і з’єднувальних трубопроводів, що забезпечують підведення газу до дослідного зразка. Редуктори КР1 і КР2 використовуються для зниження і регулювання тиску газу в нагнітаючих і управляючих магістралях відповідно.

Система регулюючих і управляючих пристроїв включає в себе регулюючі редуктори і клапани, що використовуються для підведення газу в порожнини ущільнюючого кільця К, поршня П і для розгерметизації магістралей. Клапан К1 служить для запуску газу в магістраль ущільнюючого кільця , клапан К2 - для запуску газу в управляючу магістраль поршня. Клапани К3, К4 і К5 використовуються для стравлювання газу в атмосферу з магістралей - відповідно ущільнюючого кільця, поршня і вимірювальної.

До складу контрольно-вимірювальних приладів входять манометри МН1 і МН2 - для точного контролю тиску газу в магістралі ущільнюючого кільця і управляючої магістралі поршня відповідно, і електроконтактний манометр МН3 - для вимірювання тиску в порожнині ресивера АК2. Електроконтактний манометр дозволить уникнути похибок, що виникають при ручному управлінні вимірюваннями. Клапани К1...К5 мають електромагнітне управління. Використання в вимірювальній магістралі установки ресивера АК2 дозволить за рахунок збільшення її об’єму суттєво збільшити точність вимірювань при дослідженні процесів натікання газу.

Принцип роботи установки такий. Після відкриття вентиля газового балону АК1 редуктором КР1 в магістралі ущільнюючого кільця встановлюється необхідний тиск. Тиск контролюється: грубо - по манометру низької сторони редуктора КР1, точно - по зразковому манометру МН1. Аналогічно встановлюється тиск в управляючій магістралі поршня. Контроль проводиться по редуктору КР2 і зразковому манометру МН2. На електроконтактному манометрі МН3 в магістралі ресивера встановлюється верхня межа тиску, що дорівнює тиску в магістралі ущільнюючого кільця або тиску, необхідному по умовам експерименту. Вмиканням клапана К2 (електромагніт YA2) газ подається в управляючу магістраль поршня. Поршень-зразок під дією внутрішнього тиску розширюється. Далі елемент, що імітує ущільнююче кільце, збільшується в діаметрі і таким чином створюється натяг в спряженні циліндр - кільце. В результаті дії натягу в зоні спряження кільця з циліндром виникає тиск. Змінюючи тиск в управляючій магістралі за допомогою редуктора КР2 і клапана К4 (електромагніт YA4), можна регулювати тиск в спряженні кільце-циліндр.

Розроблена методика проведення експерименту. Номінальний контактний тиск в ущільненні можна визначити з рівняння:

, (27)

де г - коефіцієнт, що визначається за формулою:

,

причому розмірність величини b в цій формулі – мм; kN - коефіцієнт І.І. Новикова, що враховує властивості матеріалу поршня-зразка; p1, p1 - відповідно тиск газу перед та за ущільнюючим кільцем.

Для розрахунку номінального контактного тиску в спряженні циліндр – поршень без врахування шорсткості виведена формула:

, (28)

де ?P, EP - коефіцієнт Пуассона та модуль Юнга матеріалу поршня;

kP - коефіцієнт, що визначається за формулою:

,

де di - внутрішній діаметр поршня-зразка; d - діаметр ущільнюючої поверхні; ph – тиск газу всередині поршня-зразка; ? - натяг, що визначається за формулою:

,

де - зовнішній діаметр поршня та - внутрішній діаметр циліндра до зборки.

Складність перевірки формул натікання газу полягає в тому, що вони дають миттєву швидкість, величина якої міняється з часом, оскільки відбувається зміна тиску на виході ущільнюючого елементу. Враховуючи це, для підвищення точності експериментальних досліджень виведена формула, яка дозволяє розрахувати час, за який тиск газу в замкненій камері, в яку натікає газ, зросте з початкового значення pa до кінцевого ps:

, (29)

де

;

- молярна маса газу; W – об’єм камери; R – молярна газова стала; Т – абсолютна температура газу; с0 – густина газу при нормальних умовах; p0 – тиск газу при нормальних умовах.

Розроблено метод ідентифікації характеристик шорсткості поверхні поршня за експериментально визначеною тривалістю натікання газу. Для цього необхідно провести два заміри тривалості натікання. Нехай в першому випадку тиск газу на вході ущільнюючого елементу становить pe,1 при тривалості натікання t1, а в другому при тискові газу на вході pe,2 тривалість натікання дорівнює t2. Всі інші характеристики процесу натікання в обох випадках повинні бути однакові. Характеристики шорсткості поверхні поршня Ra, q визначаються з системи рівнянь:

. (30)

Функції t(Ra, q, pe) визначаються згідно з (29).

Експериментально визначені значення тривалості натікання при сталих режимах роботи ущільнення спочатку перевіряються на однорідність, однорідні результати осереднюються. Виходячи з осереднених значень тривалості натікання, за описаним алгоритмом визначають характеристики шорсткості поверхні поршня Ra та q.

Проведена перевірка засвідчила високу ефективність розробленого методу ідентифікації характеристик шорсткості поверхні поршня за експериментально визначеною тривалістю натікання газу.

Експериментальна перевірка розроблених розрахункових методів, проведена на 8 зразках, виготовлених з вініпласту, фторопласту 4, оргскла та флубону 20 засвідчила їх добру точність – розходження між розрахунком та експериментом не перевищило 19% (рис. 10).

Рис. 10 Оцінка точності розроблених методів

розрахунку герметичності

Досліджена залежність герметичності від тиску в зоні контакту поршень – циліндр та від шорсткості поверхні і модуля пружності поршня. Сильний вплив на герметичність має шорсткість поверхні поршня (рис. 11), особливо середньоарифметичне відхилення точок профілю. Це означає, що особлива увага повинна приділятись якості обробки поверхні поршня.

Рис. 11 Залежність герметичності

від шорсткості поршня

ИСНОВКИ

1. На основі теорії стохастичних процесів розроблено інженерні методи розрахунку основних характеристик контакту шорстких поверхонь беззмащувальних циліндро-поршневих ущільнень – міжконтактного об’єму, ефективного рівня деформації, середньої висоти зазору та площі шорсткої поверхні. Проаналізовано вплив властивостей матеріалів та умов контактування на характеристики контакту.

2. Розроблено методи розрахунку герметичності циліндро-поршневих ущільнень - створені інженерні методи розрахунку щільності каналів, площі поверхні стику, що омивається середовищем, еквівалентного діаметру каналів, натікання в ущільненні при різних режимах – в’язкісному, молекулярному, перехідному.

3. Розроблено експериментальну установку для дослідження герметичності циліндро-поршневих металополімерних ущільнень в широкому діапазоні параметрів і режимів експлуатації та методику проведення експерименту. Виведено рівняння для розрахунку номінального контактного тиску в ущільненні. Для підвищення точності експериментальних досліджень виведена формула, яка дозволяє розрахувати час, за який тиск газу в замкненій камері, в яку натікає газ, зросте з початкового значення до кінцевого. Розроблено метод ідентифікації характеристик шорсткості поверхні поршня за експериментально визначеною тривалістю натікання газу. Експериментальна перевірка розроблених розрахункових методів, проведена на зразках, виготовлених з вініпласту, фторопласту 4, оргскла та флубону 20, засвідчила їх добру точність – розходження між розрахунком та експериментом не перевищило 19%. Досліджена залежність герметичності від тиску в зоні контакту поршень – циліндр та від шорсткості поверхні і модуля пружності поршня.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА

ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Тимощук А.Г., Семенюк Н.Ф., Лукьянюк Н.В., Калда Г.С. Установка для исследования герметичности цилиндропоршневых уплотнений // Тезисы докладов межреспубликанской научно-технической конференции “Качество и надежность узлов трения“. - Хмельницкий, 1992. - С. 54 - 55. (Здобувачем розроблена конструкція установки).

2. Тимощук О.Г., Семенюк М.Ф. Методика експериментального дослідження герметичності циліндро-поршневих ущільнень // Тези доповідей міжнародної науково-технічної конференції “Вдосконалення обладнання легкої промисловості та складної побутової техніки”. – Хмельницький, 1993. - С. 59. (Здобувачем розроблена методика досліджень).

3. Тимощук О.Г., Семенюк М.Ф. Дослідження циліндро-поршневих ущільнень // Тези доповідей міжнародної науково-технічної конференції “Вдосконалення обладнання легкої промисловості та складної побутової техніки”. - Хмельницький, 1993. - С. 57. (Здобувачем проведені дослідження).

4. Тимощук А.Г. Установка для исследования герметичности цилиндро-поршневых уплотнений // Сборник трудов молодых ученых ХТИ. – Хмельницкий. – 1993. - С. 155 - 156.

5. Тимощук О.Г., Семенюк М.Ф. Розрахунок герметичності циліндро-поршневих ущільнень // Тези доповідей науково-практичної конференції з нагоди презентації Технологічного університету Поділля “Наукові основи сучасних прогресивних технологій”. – Хмельницький, 1994. – с. 146. (Здобувачем виведена формула об’єму зазору шорстких поверхонь).

6. Тимощук О.Г., Семенюк М.Ф. Стохастичний метод розрахунку натікань в циліндро-поршневих ущільненнях // Проблеми сучасного машинобудування. Збірник наукових праць. - Хмельницький, 1996. - С. 97 - 98. (Здобувачем запропонована формула розрахунку натікань циліндро-поршневих ущільнень).

7. Тимощук О.Г., Лук’янюк М.В., Семенюк М.Ф. Установка для дослідження герметичності циліндро-поршневих металополімерних ущільнень // Вісник Технологічного університету Поділля. Частина 1. Технічні науки. – Хмельницький, №5, 2000. - С. 98 - 99. (Здобувачем розроблена конструкція вимірювальної частини установки).

8. Семенюк М.Ф., Тимощук О.Г. Визначення номінального контактного тиску в беззмащувальних циліндро-поршневих ущільненнях // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. – № 4, 2001. С. 160 – 162. (Здобувачем запропонована методика визначення номінального контактного тиску).

9. Семенюк М.Ф., Тимощук О.Г. Розробка методів розрахунку герметичності циліндро-поршневих ущільнень // Вісник Технологічного університету Поділля. Частина 1. Технічні науки. – Хмельницький, № 4, 2002. - С. 93 - 101. (Здобувачем виведені формули щільності каналів, площі поверхні стику, що омивається середовищем, еквівалентного діаметру каналів, натікання в ущільненні).

10. Тимощук О.Г., Семенюк М.Ф. Результати досліджень тривалості натікання газу в беззмащувальних циліндро-поршневих ущільненнях // Проблеми трибології (Problems of Tribology). - № 2. – 2002. - С. 89 - 94. (Здобувачем проведені експериментальні дослідження та виконана обробка їх результатів).

АНОТАЦІЯ

Тимощук О.Г. Розробка методів розрахунку та експериментального дослідження герметичності беззмащувальних циліндро-поршневих ущільнень. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.02 – Машинознавство. – Технологічний університет Поділля, Хмельницький, 2002.

На основі теорії стохастичних процесів розроблені інженерні методи розрахунку основних характеристик контакту шорстких поверхонь беззмащувальних циліндро-поршневих ущільнень – міжконтактного об’єму, ефективного рівня деформації, середньої висоти зазору та площі шорсткої поверхні. Проаналізовано вплив властивостей матеріалів та умов контактування на характеристики контакту. Розроблені методи розрахунку герметичності циліндро-поршневих ущільнень. При цьому створені інженерні методи розрахунку щільності каналів, площі поверхні стику, що омивається середовищем, еквівалентного діаметру каналів, натікання в ущільненні при різних режимах – в’язкісному, молекулярному, перехідному. Розроблені експериментальна установка та методика проведення експерименту. Запропоновано рівняння для розрахунку номінального контактного тиску в ущільненні, виведена формула тривалості натікання газу. Розроблений метод ідентифікації характеристик шорсткості поверхні поршня за експериментально визначеною тривалістю натікання газу. Вивчений вплив шорсткості поверхні, модуля пружності поршня та контактного напруження на герметичність. Експериментальні дослідження довели високу ефективність розроблених розрахункових методів.

Ключові слова: герметичність, характеристики фрикційного контакту, шорсткі поверхні, беззмащувальні поршневі ущільнення.

АННОТАЦИЯ

Тимощук А.Г. Разработка методов расчета и экспериментального исследования герметичности бессмазочных цилиндро-поршневых уплотнений. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.02 – Машиноведение. – Технологический университет Подолья, Хмельницкий, 2002.

На основе теории стохастических процессов разработаны инженерные методы расчета основных характеристик контакта шероховатых поверхностей бессмазочных поршневых уплотнений – межконтактного объема, эффективного уровня деформации, средней высоты зазора и площади шероховатой поверхности. Асимптотическая формула площади шероховатой поверхности тождественно совпадает с формулой градиента поверхности. Проанализировано влияние свойств материалов и условий контактирования на характеристики контакта. Разработаны методы расчета герметичности цилиндро-поршневых уплотнений. При этом созданы инженерные методы расчета плотности каналов, площади поверхности стыка, омываемой средой, эквивалентного диаметра каналов, натекания в уплотнении при различных режимах – вязкостном, молекулярном, переходном. Зависимость плотности каналов от комплекса условий контактирования носит экстремальный характер. С ростом комплекса условий контактирования плотность каналов сначала растет, а затем уменьшается. Это объясняется влиянием процесса слияния пятен контакта в ходе нагружения. Понятие эквивалентного гидравлического диаметра непригодно для расчета течения газа в контакте шероховатых тел. В связи с этим в работе введено понятие эквивалентного диаметра каналов. Натекание при вязкостном режиме течения газа прямо пропорционально кубу среднеарифметического отклонения точек профиля, диаметру уплотнительной поверхности, разности квадратов давления газа на входе и выходе уплотнительного элемента. Натекание обратно пропорционально динамической вязкости газа и ширине уплотнительного элемента. С увеличением удельной площади поверхности и комплекса условий контактирования натекание уменьшается. Вывод о пропорциональности натекания при вязкостном режиме кубу среднеарифметического отклонения точек профиля подтвержден результатами экспериментальных исследований других авторов. Натекание при молекулярном режиме течения газа прямо пропорционально квадрату среднеарифметического отклонения точек профиля, диаметру уплотнительной поверхности, средней скорости молекул газа, разности давлений газа на входе и выходе уплотнительного элемента. Разработаны экспериментальная установка и методика проведения эксперимента. Предложено уравнение для расчета номинального контактного давления в уплотнении. Сложность проверки формул натекания газа состоит в том, что они дают мгновенную скорость, величина которой со временем меняется, поскольку меняется давление на выходе уплотнительного элемента. Учитывая это, выведена формула длительности натекания газа в замкнутую полость. Разработан метод идентификации характеристик шероховатости поверхности поршня по экспериментально определенной длительности натекания газа. Проведенная проверка подтвердила высокую эффективность разработанного метода идентификации характеристик шероховатости. Экспериментальные исследования, проведенные на 8 образцах, изготовленных из винипласта, фторопласта 4, оргстекла и флубона 20, подтвердили высокую эффективность разработанных расчетных методов. Изучено влияние шероховатости поверхности, модуля упругости поршня и контактного давления на герметичность. Сильное влияние на герметичность оказывает шероховатость поверхности поршня, особенно среднеарифметическое отклонение точек профиля.

Ключевые слова: герметичность, характеристики фрикционного контакта, шероховатые поверхности, бессмазочные поршневые уплотнения.

SUMMARY

Timoshchuk O.G. Development of methods for calculation and experimental research of sealing in unlubricated piston seals. - Manuscript.

The thesis for the degree of Candidate of Technical Sciences in speciality 05.02.02 – Machinery sciences. - Technological university of Podillia, Khmelnitsky, 2002.

On the basis of the theory of stochastic processes the engineering methods for calculation of the basic contact characteristics of rough surfaces of unlubricated piston seals - intercontact volume, effective level of deformation, average clearance height and area of a rough surface are developed. The influence of properties of materials and contact conditions on the contact characteristics is analyzed. The methods for calculation of sealing of unlubricated piston seals are developed. Thus the engineering methods for calculation of density of channels, area of a washed, equivalent diameter of channels, current of gas in piston seals are created at various modes - molecular, transitive and viscosity mode. Research equipment and technique of realization of experiment are developed. The equation for calculation of nominal contact pressure in piston seals is offered; the formula of duration of gas current is deduced. The method of identification of the surface roughness characteristics of the piston seals on the experimentally certain duration of current of gas is developed. The influence of a surface roughness, module of elasticity of the piston seals and contact pressure on sealing is investigated. The experimental researches have confirmed high efficiency of the developed calculating methods.

Key words: sealing, characteristics of friction contact, rough surfaces, unlubricated piston seals.