Тонкостенные металлические уплотнения нашли свое применение в конструкциях и соединениях, которые применимы в условиях динамических (ударных) нагрузок, нестационарности давления и температуры, а также агрессивности сред. Существенным недостатком таких уплотнений является чувствительность оболочечного элемента к условиям нагружения, например, со стороны золотника затвора клапана. Обеспечение надежности таких соединений может быть достигнуто за счет снижения жесткости оболочечного элемента. Для снижения жесткости оболочечного элемента может быть использована тонкостенная пластина (оболочечно-пластинчатое уплотнение), сильфон (оболочечно-сильфонное уплотнение), мембрана (оболочечно-мембранное уплотнение), тороидальная форма (оболочечно-тороидальное уплотнение). Ниже будет рассмотрено только оболочечно-сильфонное уплотнение, как геометрически более сложное
тонкостенное уплотнение, оболочка, напряженно-деформированное состояние, расчеты на прочность, моделирование
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. Долотов А.М., Белоголов Ю.И. Жесткостная модель оболочечно-пластинчатого седла // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2013. № 2 (38). С. 107-110.
2. Долотов А.М., Белоголов Ю.И. Оболочка как элемент уплотнения // Трубопроводная арматура и оборудование. 2014. № 2. 94-97.
3. Шимкович Д.Г. Femap & Nastran Инженерный анализ методом конечных элементов - М.: ДМК Пресс, 2008. - 704 с., ил. (Серия «Проектирование») ISBN 978-5-94074-461-0
4. Белоголов Ю.И. Совершенствование конструкций уплотнительных со-единений с тонкостенными элементами (упругой кромкой): автореф. дис. … канд. техн. наук. Братск, 2013. 23 с.
