Thin-walled metal seals have found their application in structures and joints that are applicable under conditions of dynamic (shock) loads, non-stationary pressure and temperature, as well as aggressive environments. A significant disadvantage of such seals is the sensitivity of the shell element to loading conditions, for example, from the side of the valve spool. Ensuring the reliability of such connections can be achieved by reducing the rigidity of the shell element. To reduce the rigidity of the shell element, a thin-walled plate (shell-plate seal), a bellows (shell-bellows seal) and a toroidal shape (shell-toroidal seal) can be used. Below, only the shell-bellows seal will be considered, as it is geometrically more complex
thin-walled seal, shell, stress-strain state, strength calculations, modeling
Прочностной расчет тонкостенных уплотнений сложной геометрической формы может быть выполнен с использованием методов конечно-элементного (МКЭ) моделирования, так как при аналитическом решении такие задачи описываются значительным числом уравнений, а могут и не иметь решения вовсе [1, 2].
а б в
Рисунок 1 – Оболочечно-сильфонное уплонение:
а – схема нагружения; б – эквивалентные напряжения при нагрузке 1,5 кН;
в – суммарные перемещения при нагрузке 1,5 кН
|
|
|
|
|
а |
б |
в |
Рисунок 2 – Оболочечно-мембранное уплонение:
а – схема нагружения; б – эквивалентные напряжения при нагрузке 1,5 кН;
в – суммарные перемещения при нагрузке 1,5 кН
Построение геометрии, задание нагрузок, разбиение на КЭ модели в Femap (MSC.vN4W) производилось согласно рекомендациям указанным в [3]. Геометрические размеры седла (высота оболочки, диаметры, толщина) во всех моделях одинаковы.
Расчет моделей производился в Femap, так как он более удобен при приложении нагрузок, а результаты расчетов отличаются, например, от результатов в WinMachine менее чем на 5%. Полученные результаты моделирования для оболочечно-сильфонного и – мембранного уплотнений, сравнивались с аналогичными расчетами для оболочечно-пластинчатого уплотнения [4].
К основным выводам можно отнести: напряжения, возникающие на торце оболочки практически одинаковые, что свидетельствует о правильном построении модели и одинаковых условиях нагружения; возникающие, после приложения нагрузки, перемещения отличаются (у оболочечно-мембранного выше), что указывает на разную жесткость конструктивных решений. С повышением скорости срабатывания золотника клапана, имеет смысл рассматривать оболочечно-мембранное уплотнение.
Следует отметить, что использование оболочечного седла пониженной жесткости позволяет значительно снизить динамическую нагрузку, что дает возможность выполнить седло более тонкостенным – снизить усилие в зоне золотника и седла для обеспечения герметичности уплотнительного соединения.
1. Dolotov A.M., Belogolov Yu.I. Zhestkostnaya model' obolochechno-plastinchatogo sedla // Sovremennye tehnologii. Sistemnyy analiz. Modelirovanie. 2013. № 2 (38). S. 107-110.
2. Dolotov A.M., Belogolov Yu.I. Obolochka kak element uplotneniya // Truboprovodnaya armatura i oborudovanie. 2014. № 2. 94-97.
3. Shimkovich D.G. Femap & Nastran Inzhenernyy analiz metodom konechnyh elementov - M.: DMK Press, 2008. - 704 s., il. (Seriya «Proektirovanie») ISBN 978-5-94074-461-0
4. Belogolov Yu.I. Sovershenstvovanie konstrukciy uplotnitel'nyh so-edineniy s tonkostennymi elementami (uprugoy kromkoy): avtoref. dis. … kand. tehn. nauk. Bratsk, 2013. 23 s.
