Введение к работе
Актуальность темы Сфера применения запорной трубопроводной арматуры (ТА) очень широка: это авиационная и космическая техника, глубоководные аппараты и морской транспорт, атомная энергетика, химическая и нефтеперерабатывающая промышленность, вакуумная техника, трубопроводный транспорт, гидропневмотопливные системы различных машин, аппаратов и оборудования, коммунальное хозяйство и т.п. Надежность запорной ТА является важнейшей характеристикой машин, аппаратов и оборудования, которая определяет нормальную эксплуатацию, риски аварийных ситуаций, безопасность людей, экологическую обстановку. Многие из перечисленных объектов входят в число важнейших, для которых должны быть решены в начале XXI века проблемы снижения рисков.
Наиболее важными узлами запорной ТА, обеспечивающими герметичность при перекрытии потока рабочей среды, являются затворы - герметичные соединения, состоящие из золотника и седла, на которые приходится до 50% всех отказов. Для сравнения: на корпусные элементы приходится 10-15%, на пары трения- 10-15%
Обеспечение функциональной надежности затворов закладывается на стадии проектирования. Из общего числа отказов, связанных с нарушением герметичности, 2/3 обусловлено конструкторско-технологическими дефектами. При совершенствовании конструкций затворов необходимо прежде всего обеспечение следующих их свойств: герметичность, прочность, долговечность.
Основным свойством в аспекте надежности является герметичность, которая определяется функциональными параметрами уплотнительных поверхностей и контактными давлениями герметизации, обеспечивающими требуемые характеристики - относительную площадь контакта и плотность зазоров. К функциональным параметрам относятся геометрические характеристики шероховатости (по ISO 4281/1 - 1997) и параметры физико-механических свойств материалов. Контактные давления являются основной характеристикой, определяющей габаритно-массовые показатели затворов ТА, их долговечность, энергоемкость привода. В арматуростроении нормы герметичности регламентированы ГОСТ 9544 - 2005, в котором установлены требования к проведению приемо-сдаточных испытаний на герметичность в зависимости от условного прохода DN и класса герметичности. Существует также нормативный документ, связывающий ресурс с величиной контактных давлений (РД 24.207.01-90), однако отсутствуют нормативные документы по определению нагрузок (усилий, контактных давлений, моментов), обеспечивающих указанные нормы герметичности, что может иметь негативные последствия в плане безопасности. Недостаточная нагрузка не обеспечит заданной герметичности, перегрузка приведет к уменьшению ресурса или к разрушению элементов арматуры.
В техническом регламенте «О безопасности трубопроводной арматуры», разработанном в Центральном конструкторском бюро арматуростроения (ЗАО
«НПФ «ЦКБА», г. С.-Петербург) указано, что при проектировании арматуры должны быть обеспечены показатели назначения, включающие утечку рабочей среды через затвор. Это означает, что разработчикам арматуры должны быть указаны усилия герметизации (контактные давления), обеспечивающие заданные нормы герметичности затвора.
На наш взгляд в этом случае должны быть разработаны нормативные документы в виде программных средств, определяющих оптимальное сочетание исходных конструктивных параметров и усилия герметизации, обеспечивающих заданные нормы герметичности и ресурс. Современная теория проектирования предполагает генерирование значительного числа вариантов проектируемого узла для поиска лучших технических решений. Применительно к проектированию затворов ТА это возможно при математическом описании процесса герметизации, включающем: напряженно-деформированное состояние в зоне контакта; контактирование шероховатых поверхностей под действием сжимающих напряжений; истечение рабочей среды через уплотнительный стык; влияние особенностей эксплуатации. Решение перечисленных вопросов составит научную основу для оптимального проектирования затворов ТА.
Цель работы - повышение надежности затворов запорной трубопроводной арматуры на этапе проектирования путем создания программных средств, определяющих оптимальное сочетание исходных конструктивных параметров и усилий герметизации, обеспечивающих заданные нормы герметичности, прочность и ресурс.
Реализация цели связана с решением следующих задач исследований:
- совершенствование методов определения контактных характеристик,
влияющих на герметизирующую способность уплотнительных соединений;
математическое моделирование утечки рабочей среды через уплотнительный стык;
определение долговечности (ресурса) затворов по критериям усталостного разрушения и износа;
определение напряженно-деформированного состояния в области контакта золотника и седла.
-создание методики оптимального проектирования затворов ТА.
Объект исследований - металлические затворы запорной трубопроводной арматуры.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций. Научные положения аргументированы, теоретические результаты работы и выводы подтверждены использованием теории упругости, механики контактного взаимодействия, трибомеханики, газовой динамики, теории вероятности, специальных разделов математического анализа, имитационным моделированием.
Научная новизна заключается в:
- разработке математической модели контактактирования жесткой шерохо
ватой поверхности со слоистым упругим полупространством, учитывающей
влияние на контактные характеристики упругих свойств основания и слоя и его толщины;
- построении математической модели утечки рабочей (или испытательной)
среды через затвор, описывающей его герметизирующую способность в зави
симости от комплексных характеристик контакта шероховатых поверхностей и
учитывающей распределение контактного давления и реальные свойства газов;
разработке методики определения напряженно-деформированного состояния в области контакта золотника и седла с учетом трения, позволяющая определить ширину зоны контакта, распределение контактного давления на площадке контакта и эквивалентные напряжения;
учете, при определении напряженно-деформированного состояния особенностей контакта, связанных с изменяющимися начальными параметрами: шириной зоны контакта при начальном контакте вдоль полосы и угла нормали при начальном контакте вдоль линии;
разработке методики оптимального проектирования затворов ТА с использованием метода исследования пространства параметров с помощью ЛПт-последовательностей для при назначенных функциональных ограничениях и критериях качества.
Практическая ценность работы заключается в том, что на базе проведенных исследований создан современный метод проектирования затворов запорной арматуры в виде программных средств, учитывающий напряженно-деформированное состояние в области контакта золотника и седла и контактные характеристики в уплотнительном стыке шероховатых поверхностей, обеспечивающих его герметизирующую способность и ресурс.
По результатам исследований реализованы:
«Методика определения напряженно-деформированного состояния в зоне контакта золотник-седло», внедрена в ОАО «ИркутскНИИхиммаш»;
«Методика расчета герметизирующей способности высоконапряженных уплотнительных соединений», внедрена в ОАО «ИркутскНИИхиммаш»;
Программное обеспечение «ЗАТВОР 01» по оптимальному проектированию затворов трубопроводной арматуры.
Указанные разработки внедрены также в учебный процесс по магистерскому направлению 150400 - Технологические машины и оборудование
Апробация работы. Результаты и основные положения доложены и обсуждены на научных конференциях: III и IV международной конференции «Проблемы механики современных машин», г. Улан-Удэ, 2006 и 2009 гг.; международная научно-технической конференции «Современные проблемы механики» г. Ташкент, 2009г.; на I и II Всероссийских научно-практических конференциях «Безопасность регионов -основа устойчивого развития», г. Иркутск 2007, 2009 гг., International conference on «Mechanics development issues»: Ulaanbaatar, Mongolia 2009; на Всероссийских научно-технических конференциях «Естественные и инженерные науки - развитию регионов», г. Братск, 2004 - 2009г.г.
Публикации. По результатам работы опубликовано 18 печатных, работ из которых 10 статей и 8 докладов. В изданиях перечня ВАК опубликовано 3 статьи.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы 127 страниц.
