CC BY
69
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014
— сократить время освобождения и последующего заполнения трубопровода;
— снизить количество топлива, потребляемого силовой установкой ПНУ;
— сократить потери нефти при освобождении и заполнении нефтепровода;
— уменьшить объем атмосферного воздуха в трубопроводе после заполнения.
Библиографический список
1. РД-75.180.00-КТН-214-07 Технология освобождения нефтепроводов от нефти и заполнения после окончания ремонтных работ. — М., 2007. — 132 с.
2. Голин, Г. М. Классики физической науки (с древнейших времён до начала XX в.) : справ. пособие / Г. М. Голин, С. Р. Фи-лонович. — М. : Высш. шк., 1982. — 576 с.
3. Михайлов, Д. А. Анализ результатов исследований и нормативной базы по эксплуатации магистральных трубопроводов с перевальными точками / Д. А. Михайлов, А. А. Гольянов,
А. И. Гольянов // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. — 2012. — № 3. — С. 64 — 71.
4. РД-75.180.00-КТН-427-06 Методика расчета объёмов и времени освобождения от нефти участков магистральных нефтепроводов для проведения плановых работ. — М., 2006. — 43 с.
КРАУС Юрий Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Нефтегазовое дело» Омского государственного технического университета. МЫЗНИКОВ Михаил Олегович, кандидат технических наук, начальник отдела главного технолога ОАО «Транссибирские магистральные нефтепроводы».
Адрес для переписки: [email protected] КРОПОТИН Павел Олегович, инженер-технолог отдела главного технолога ОАО «Транссибирские магистральные нефтепроводы».
Статья поступила в редакцию 06.12.2013 г.
© Ю. А. Краус, М. О. Мызников, П. О. Кропотин
УДК [620.22+620.1721+621.22-762 О. В. КРОПОТИН
Омский государственный технический университет
ВЛИЯНИЕ
ЛИНЕЙНОЙ ВЯЗКОУПРУГОСТИ ПТФЭ-КОМПОЗИТА НА ПАРАМЕТРЫ КОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ГЕРМЕТИЗИРУЮЩЕМ УСТРОЙСТВЕ
Описано влияние линейной вязкоупругости нанокомпозита на основе политетрафторэтилена на параметры контактного взаимодействия уплотнительного элемента и контактной поверхности в герметизирующем устройстве.
Ключевые слова: линейная вязкоупругость, герметизирующее устройство, контактное взаимодействие.
Введение. При разработке конструкций герметизирующих устройств (ГУ) в качестве параметров оптимизации целесообразно использовать параметры напряженно-деформированного состояния (НДС) и контактного взаимодействия уплотнительного элемента с контактной поверхностью, учитывая при этом их временную зависимость [1-6]. Указанные параметры определяют степень герметичности, надежность и долговечность ГУ [1, 2, 5, 7]. Временная зависимость параметров НДС и контактного взаимодействия обусловлена температурно-временной зависимостью показателей свойств используемых материалов, а также формоизменением элементов ГУ в процессе фрикционного взаимодействия. Среди процессов, определяющих временную зависимость упругих свойств полимеров и композитов на их основе, которые широко используются в ГУ, одним из наиболее существенных процессов является вязкоупругость. Релаксация напряжений и ползучесть в условиях сложного напряженно-деформированного состояния, в котором находится уплотнительный элемент в металлополимерном ГУ [8], могут
существенно изменить степень герметичности устройства в процессе эксплуатации.
Цель работы — исследование влияния линейной вязкоупругости композита на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) на параметры контактного взаимодействия в герметизирующем устройстве.
Объект и методика исследования. В работе исследовался процесс релаксации напряжений в нанокомпозите на основе ПТФЭ с наполнителем следующего состава: скрытокристаллический графит 9,0 %, дисульфид молибдена 0,75 %, углеродные нанотрубки 1,25 % [9]. Термообработку ПТФЭ-нанокомпозита осуществляли в условиях объемного ограничения теплового расширения [9]. Конструктивная схема устройства для термообработки заготовки ПТФЭ-композита указанным способом приведена на рис. 1. Устройство (рис. 1) выполнено в виде стакана, внутренняя полость которого соответствует геометрии изделия и содержит соосно установленные в полости стакана опорное кольцо, пуансон, упругий элемент (пружину), регулировочный винт. Конструкция устройства обеспечивает возможность задавать допол-
нительное давление сжатия в направлении прессования и контролировать увеличение объема заготовки в указанном направлении за счет теплового расширения при нагревании.
Изучение линейной вязкоупругости нанокомпозита проводили на приборе динамического механического анализа БМЛ242С ЫЕТБСИ: в режиме статического одноосного растяжения получали кривые релаксации напряжений в композите. Размеры образца: 12x1x4 мм3, температура испытаний 27 °С, относительная деформация образца е = 0,34 %.
Влияние линейной вязкоупругости нанокомпозита на параметры контактного взаимодействия уплотнительного элемента и контактной поверхности изучали на примере радиального ГУ пары вращательного движения (рис. 2), разработанного для поддерживающего катка многоцелевых гусеничных машин [10, 11]. В указанном ГУ для изготовления уплотнительного элемента использовался разработанный ПТФЭ-нанокомпозит.
Результаты исследования. Экспериментальная зависимость механического напряжения в ПТФЭ-нанокомпозите от времени при постоянной деформации приведена на рис. 3. Соответствующие значения релаксирующего модуля Юнга определяли по формуле
Е (1) = а(1)/е. (1)
Реологическую модель ПТФЭ-нанокомпозита разрабатывали в виде серии Прони для релаксирующего модуля Юнга, соответствующей классическому представлению теории вязкоупругости в виде модели Максвелла. Указанная модель широко применяется при описании вязкоупругих свойств полимеров [12, 13]. Аналитическое представление релаксирующего модуля сдвига в модели соответствует следующему выражению [12, 13]:
Е = Е»+1]Е ' ехр[“~] ' (2)
где Ei — коэффициенты, определяющие вклад каждого релаксационного процесса; Е ¥ = Е(1 = ¥ — релаксированный модуль; 1;. — времена релаксации; 1 — время; пс — количество элементов модели.
Коэффициенты уравнения (2) были определены по экспериментальным данным с использованием алгоритмов регрессионного анализа.
Полученные значения времен релаксации и соответствующих коэффициентов приведены в табл. 1. Модуль Юнга исследуемого ПТФЭ-нанокомпозита, определенный по результатам испытаний на разрывной машине, равен Ер = 248 МПа.
Ранее [10, 11] при оптимизации конструктивных параметров радиального ГУ (рис. 2) были определены приближенно эффективные (приближенно паретов-ские) точки по наиболее важным критериям [14]. Выбор конструктивных параметров осуществлялся по следующим наиболее важным критериям качества, значения которых рассчитывались на этапе начального деформирования:
— Р . /Р — отношение минимального и макси-
тш тах
мального значений контактного давления;
— РЬ = | Р^ — интеграл распределения контакт-
1
ного давления на участках уплотняемой поверхности, на которых значение контактного давления превышает минимальное по условиям герметизации.
Рис. 1. Конструктивная схема устройства для спекания заготовок в условиях объемного ограничения теплового расширения:
1 — стакан, 2 — пуансон, 3 — пружина сжатия,
4 — опорное кольцо, 5 — регулировочный винт, 6 — заготовка ПТФЭ-композита
Рис. 2. Конструктивная схема ГУ:
1 — уплотняемая поверхность;
2 — силовой элемент (резиновое кольцо);
3 — внутренняя поверхность корпуса герметизирующего устройства;
4 — поверхность контактной площадки;
5 — уплотнительный элемент;
Рк - давление на контактной поверхности, создаваемое уплотнительным элементом;
Рс - давление на поверхности уплотнительного элемента, создаваемое силовым элементом
Таблица 1 Значения времен релаксации и соответствующих коэффициентов серии Прони
І Ті, с ЕІ, МПа
1 2 9,986
2 200 121,0
3 1000 39,78
4 10000 63,9
5 50000 27,34
Е¥= 104,9 МПа
Значения указанных критериев (наряду с показателем износостойкости) определяют степень герметичности устройства.
Использованные при разработке конструкции функциональные ограничения:
—Д^/а3 = 1, где Д^/а3 — отношение суммарной ширины участков уплотняемой поверхности, на которых значение контактного давления превышает минимальное (по условиям герметизации), к общей ширине контактной площадки уплотняющего элемента;
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014
Рис. 3. Кривая релаксации напряжений в ПТФЭ-нанокомпозите
Р, МПа
0 0.4 0.8 1.2 X, мм
Рис. 4. Зависимость контактного давления на уплотняемой поверхности от осевой координаты х (см. рис. 2) для конструкций, соответствующих приближенно паретовским точкам № 1 и № 2:
1, 2 — Е = Ер; 1', 2' — Е = Б_
Таблица 2
Значения критерииев качества и параметров, для которых определены функциональные ограничения
Е = Ер
Точка РЬ-103, Пам Д^/а3 Ртт/Ртм 01, МПа Ое, МПа
1 11,2 1,0 0,24 5,8 10,0
2 4,3 1,0 0,39 9,1 9,2
3 4,7 1,0 0,35 9,0 9,7
4 4,0 1,0 0,66 9,4 8,1
Е = ЕЮ
1 9,9 1 0,20 3,9 12,1
2 3,9 0,84 0,14 6,1 14,8
3 4,2 0,88 0,18 5,6 14,2
4 3,7 0,87 0,20 6,3 12,8
— о1<о1пр, где о1 и о1пр — максимальное истинное значение главного напряжения и его предельное значение соответственно.
Дополнительно к приведенным критериям и параметрам определялись максимальные значения эквивалентных (по Мизесу) напряжений <зе.
Влияние линейной вязкоупругости ПТФЭ-нано-композита на параметры контактного взаимодействия в ГУ изучали на имитационной конечно-элементной модели устройства, выполненной в программном комплексе АКБУБ, используя различные значения модуля Юнга: значение, полученное при испытании материала на разрывной машине Ер и ре-лаксированное значение Е ¥ в модели (2). Результаты расчетов представлены в табл. 2. На рис. 4 приведены
эпюры контактных давлений на уплотняемой поверхности для двух приближенно паретовских точек при различных значениях модуля Юнга.
Как следует из представленных в табл. 2 данных, релаксация напряжений в уплотнительном элементе приводит к снижению значений критериев качества, к снижению главного напряжения и к увеличению эквивалентных напряжений. Увеличение эквивалентных напряжений происходит локально в области, которую можно определить как конструктивный концентратор напряжений (рис. 5). Уменьшение значения параметра £>//а3 наблюдается для точек №№ 2 — 4. Для этих же точек существенно возрастает неравномерность распределения контактного давления по уплотняемой поверхности, о чем свиде-
CTg: МПа T 12,10 -10,80
- 9,42
- 8,10 — 6.77
5,45 4,12 2,79 147 0,14
Рис. 5. Эпюра распределения эквивалентных (по Мизесу) напряжений в элементах герметизирующего устройства
для конструкции, соответствующей приближенно паретовской точке № 1 при Е=Б_
тельствует значительное снижение значений критерия Рт1д/Ртак (табл. 2, рис. 4). Наиболее предпочтительной, с точки зрения стабильности значений критериев качества, по которым проводилась оптимизация конструкции, и значений параметров, для которых определены функциональные ограничения, является конструкция (точка исследованного пространства параметров) № 1. Соответствующая конструкция ГУ является оптимальной по критерию сохранения степени герметичности устройства.
Выводы. Учет влияния линейной вязкоупругости ПТФЭ-композита на параметры контактного взаимодействия в разработанном герметизирующем устройстве позволил определить набор конструктивных параметров, соответствующий оптимальной (по критерию сохранения степени герметичности) конструкции ГУ.
Автор благодарит Е. А. Стрижак за помощь в проведении исследований на базе ресурсного центра «Политест», ОмГТУ.
Библиографический список
1. Уплотнения и уплотнительная техника / Л. А. Кондаков [и др]. - М. : Машиностроение, 1986. — 464 с.
2. Ереско, С. П. Математическое моделирование, автоматизация проектирования и конструирование уплотнений подвижных соединений механических систем / С. П. Ереско. — М. : Изд-во ИАП РАН, 2003. - 155 с.
3. Weber, D. Wear behaviour of PTFE lip seals with different sealing edge designs, experiments and simulation / D. Weber, W. Haas // Sealing Technology. — 2007. — № 2. — P. 7 — 12.
4. Martinez, F. J. Finite element implementation and validation of wear modelling in sliding polymer — metal contacts / F. J. Martinez et al. // Wear. - 2012. - № 284 - 285. - Р. 52-64.
5. Schmidt, T. A transient 2D-finite-element approach for the simulation of mixed lubrication effects of reciprocating hydraulic rod seals / T. Schmidt, M. Andrer, G. Poll // Tribology International. - 2010. - № 43. - Р. 1775-1785.
6. Kropotin, O. V. Optimization of Design of Sealing Device Based on Criteria of Contact Interaction and Wear / O. V. Kropo-tin // Journal of Friction and Wear. -2013. - Vol. 34. - № 5. -P. 398-402.
7. Кропотин, О. В. Прогнозирование надежности и ресурса герметизирующего устройства с использованием имитационного моделирования / О. В. Кропотин // Омский научный вестник. - 2013. - № 3 (123). - С. 96-100.
8. Исследование релаксации напряженно-деформированного состояния полимерных композиционных материалов на основе политетрафторэтилена / Ю. К. Машков [и др.] // Материаловедение. - 2003. - № 12. - С. 37-43.
9. Кропотин, О. В. Создание полимерного антифрикционного нанокомпозита на основе политетрафторэтилена с повышенной износостойкостью / О. В. Кропотин, Ю. К. Машков, О. А. Кургузова // Омский научный вестник. - 2013. - № 2 (120). - С. 86-90.
10. Оптимизация конструкции герметизирующего устройства с использованием метода исследования пространства параметров / О. В. Кропотин [и др.] // Омский научный вестник. - 2013. - № 3 (123). - С. 101-104.
11. Кропотин, О.В. Оптимизация конструкций герметизирующих устройств для многоцелевых гусеничных машин / О. В. Кропотин // Вестник академии военных наук. - 2013. -№ 4 (45) (спецвыпуск). - С. 134-139.
12. Stan, F. Study of stress relaxation in polytetrafluoroethylene composites by cylindrical macroindentation / F. Stan, C. Fete-cau // Composites: Part B. - 2013. - № 47. - P. 298-307.
13. Garcia-Barruetabena, J. Experimental characterization and modelization of the relaxation and complex moduli of a flexible adhesive / J. Garcia-Barruetabena et al. // Materials and Design. -2011. - № 32. - P. 2783-2796.
14. Соболь, И. М. Выбор оптимальных параметров в задачах со многими критериями / И. М. Соболь, Р. Б. Статни-ков. - М. : Наука, 1981. - 110 с.
КРОПОТИН Олег Витальевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), профессор кафедры физики, декан факультета довузовской подготовки.
Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 10.01.2014 г.
© О. В. Кропотин
Книжная полка
Еремин, Е. Н. Сооружение стальных вертикальных цилиндрических резервуаров : моногр. / Е. Н. Еремин, В. В. Шалай, А. Е. Еремин ; ОмГТУ. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2011.- 369 с. - ISBN 9785-8149-1180.
Излагается современный опыт сооружения стальных вертикальных цилиндрических резервуаров. Описаны конструкции резервуаров, приводятся характеристики материалов, используемых для их изготовления. Рассмотрены способы монтажа резервуаров в отечественной и зарубежной практике. Освещены методы контроля качества сварных соединений, проведения гидравлических испытаний резервуаров.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
