Исследование герметизирующей способности резино-металлических клапанов пневмосистем высокого давления, страница 2

Однако эти зависимости справедливы только в ограниченной области деформаций при заданном режиме испытаний. Л. Д. Блохом и В. А. Лепетовым получена зависимость между нагрузкой и деформацией прн вдавливании кольцевых и сплошных штампов в резиновые пластины. В случае рези- но-металлических клапанов упругое пространство ограничено. Поэтому зависимость между усилием н деформацией при вдавливании седла, по-видимому, иная.

% Большой теоретический интерес представляет работа Г. В. Шахновской, которая провела расчет деформации тела из несжимаемого материала под штампом. Однако предложенное уравнение приближенно описывает только начальный участок деформационной кривой клапана, который может быть описан более простым эмпирическим уравнецием. Деформационная характеристика клапана на этом участке,, согласно уравнения, зависит не только от угла при вершине, радиуса закругления и диаметра седла, но и от его высоты, что противоречит экспериментальным данным.

Важные указания об условиях герметизации резино-металлическими клапанами содержатся в работах Д. Б. Добрушкина, Б. М. Горелика, П, И. Киселева, Н. П. Клебанова, 3. Д. Орлова, Э. Ф. Щургальского и др. В этих работах показана необходимость создания в уплотнительном элементе клапана начальных напряжений, величина которых не зависит от уплотняемого давления. Указывается,что потеря герметичности клапанами происходит по механизму контактного натекання. Предложена модель клапана. Высказано предположение о возможности передачи давления уплотняемой среды через резиновый элемент. Для компенсации этого явления необходимо дополнительное увеличение усилия герметизации.

Изучены причины разрушения подушки клапана под седлом. В то же время в рассмотренном литературном материале имеются существенные пробелы. Не установлена зависимость герметнзирующей способности клапанов от показателей применяемых резин. Механизм уплотнения клапанами изучен недостаточно. Не исследовано влияние на эксплуатационные характеристики клапанов низких температур, старения, больших ударных нагрузок. Указанные воздействия существенно влияют на работоспособность клапанов, вследствие чувствительности к ним резины. Влияние температуры и старения на свойства резин подробно исследовано во многих работах. Менее изучены закономерности деформации резины при ударном нагруженин, хотя в практипе эксплуатации резиновйх изделий этот вид нагружеиия встречается часто.

Йанболее важные указания на этот счет содержатся в работах Г. М. Бартенева, Е. В. Кувшинского, Н. М. Новиковой, Е. А. Сидоровича и др. Работы, в которых устанавливалась бы зависимость долговечности резиновых изделий при повторном ударном иагружении от энергии удара и др.

факторов, иам неизвестны. Анализ литературных данных позволил выделить вопросы, подлежащие изучению, главными из которых являются: а) ко- Ф лнчественное описание герметизирующей способности клапанов; б) установление механизма уплотнения клапанами; в) исследование влияния темйературы и старения на герметизирующую способность клапанов; г) изыскание показателей резины, характеризующих герметизирующую способность клапанов; д) установление оптимальных сочетаний элементов уплотнения клапанов; е) разработка методики ускоренного определения сроков хранения и эксплуатации клапанов.

В главе И-ой «Исследование деформаций и напряжений при вдавливании штампов (седел) в резиновый элемент рези- но-металлических клапанов» проведено экспериментальное изучение деформаций и напряжений в резиновом элементе клапана, которое является необходимым для оценки герметизирующей способности клапанов, так как деформирование упругого элемента предшествует герметизации клапаном. Кро.

ме того, это исследование представляет самостоятельный интерес, так как расширяет представление о сложном виде деформации резины при вдавливании штампов. Для выбора объектов исследования проведен анализ большого количества клапанов, применяемых в машиностроении. Большое разнообразие конструкций, элементов уплотнения является следствием отсутствия обоснованных рекомендаций по нх выбору. Для исследования выбраны клапаны со средним диаметром от 15 до 45 мм, глубиною канавки от 1,5 до 4-х мм н шириною канавки от 3-х до 6-ти мм.

Клапаны исследовалнсь в сочетании с седлами конического профиля с ограниченной высотой, равной 0,4 и 0,6 мм, с углом при вершине профиля от 60 до 120'. Исследуемые клапаны были изготовлены с пятью резинами на основе каучука СКС-30 с твердостью по ТМ-2 от 55 до 95. Исследование зависимости глубины погружения седла от усилия вдавливания проводилось на специальном устройстве, сконструированном на базе лабораторного гидравлического пресса. Исследуемые резино-металлические детали устанавливались на плунжере, а седла на траверсе пресса. Глубина погружения фиксировалась по индикатору, а усилие вдавливания с помощью теизометрического датчика.

Режим погружения седла был ступенчатым с интервалом через 0,05 мм. Усилие вдавливания фиксировалось после 3-х минутного пребывания седла иа заданной глубине. Показано, что такой режим деформации близок к условно-равновесному. Воспроизводимость результатов измерения характеризовалась коэффициентом вариации не превышающим 10%, Ч Установлено, что усилие вдйвливйния седла, отнесенное к длине окружности его вершины (погониое усилие) не зависит в указанных пределах от диаметрального размера клапана. Этот вывод очень важен для дальнейшей работы, так как позволяет провести исследование напряжений в клапане на плоской модели. Усилие вдавливания пропорционально квадрату относительной глубины погружения седла. Усилие вдавливания тем больше, чем больше модуль резины клапана и угол при вершине седла.

С увеличением глубины или ширины канавки усилие вдавливания, необходимое для погружения седла на одну и ту же глубину, уменьшается. Зависимость усилия вдавливания от глубины погружения седла для седел с разной высотой одинакова до.тех пор, пока резцна, выпучивающаяся при вдавливании, не касается ограничительных плоскостей седла, что в случае седла меньшей высоты происходит, разумеется, раньше, Среднее контактное напряжение о при вдавливании линейно зависит от' относительной глубины погружения седла е. о=Е,е=пЕ« Коэффициент пропорциональности Е, в уравнении (1) назван «модулем клапана». «Модуль клапана» возрастает с увеличением модуля резины Е нелинейно. Коэффициент и в этом уравнении, равный отношению «модуля клапана» к модулю резины, с возрастанием последнеМ убывает.

Для седел с разными углами профиля значения коэффициента и при этом сближаются. «Модуль клапана» возрастает при заострении угла при вершине профиля седла, а также с уменьшением ширины или увеличением глубины канавки. Изучено также распределение контактных напряжений в резиновых элементах клапанов поляризационно-оптическим методом.

Исследование проводилось на плоской модели клапана. Моделью клапанов являлась обрезиненная скоба, которая ограничивалась с торцов пластинами из органического стекла. В скобу вклеивался упругий элемент из оптически-активного резнноподобного материала СКУ-б.

Модели были изготовлены в 20-ти кратном увеличении в сравнении с разме. рами реальных деталей. Изучено распределение нормальных напряжений по глу- Г>ине резинового элемента и по контуру контакта. Как и следовало ожидать, в зоне контакта имеет место значительная концентрация напряжений. Контактное напряжение имеет максимальное значение в точке контакта с вершиной седла, а у краев контура близко к нулю. Максимальное контактное 8 напряжение о ., линейно зависит от относительной глубины погружения седла и, приблизительно, в два раза превышает среднее напряжение о. Отношение указанных напряжений для клапанов с различными размерами уплотнительного элемента и конфигура.

цней седел остается практически постоянным. В главе Ш-ей «Исследование герметизируюшей способности резино-металлических клапанов», помимо экспериментального изучения уплотняющих свойств клапанов, рассмотрено равновесие сил, действующих в клапане. При выводе уравнения, который проводился прн консультации В. А. Лепетова, был использован метод, близкий к расчету фланцевых прокладок, следствием чего является приближенность полученной зависимости. Действие усилия вдавливания Я приводит к погружению седла, а сила давления уплотняемой среды направлена противоположно. В момент потери герметичности давление среды достигает некоторого «критического» значения р„, а седло остается погруженным в резину на глубину е.

Напряжение в резине в этот момент равно разности Я и силы давления среды, дтнесенных к плошади проекции поверхности контакта шириною Ь и может быть определено по уравнению (!). В итоге получаем зависимость для расчета герметизирующей способности клапанов. (2) В уравнении (2) бс — диаметр вершины седла, а г~ — радиус внутренней круговой площадки клапана, ограниченной седлом. Необходимым условием уплотнения клапаном является соблюдение неравенства р< р«р> т.

е. клапан может уплотнить давление среды не превышающее «критическое». Экспериментальное исследование герметизирующей способности клапанов проводилось на приборе на базе гидравлического пресса, описанном выше, а также на имитаторах реальных клапанов, Имитаторы представляли собой узлы, в которых иа подвижном штоке монтировались исследуемые резино-металлнческие детали. Седло выполнялось на фланце, к штуцеру которого подводилась уплотняемая среда. Давление уплотняемой среды называлось рабочим. В полости рабо.

чего давления имелся еще один штуцер, через который выходит воздух, если клапан открыт нлн сила прижатая резинового элемента к седлу недостаточна. По выходу воздуха из этого штуцера и определяли момент потери герметичности. Усилие герметизации создавалось н регулировалось путем подачи воздуха в управляющую полость клапана. Прн этом клапан Ф прижимался к седлу. Для разделения полости рабочего и управляющего давления в имитаторах имелись резиновые манжеты. Исследование герметичности одних и тех же клапанов проводилось как на приборе, так и в имитаторах. На приборе можно было установить глубину погружения седла в момент потери герметичности клапана, а использование имитаторов позволяло определять герметичность клапанов прн разных температурах, путем термостатирования имитаторов, а также воспроизводить -ударный режим нагружения.

Экспериментально установлено, что герметизирующая способность клапана тем ближе к расчетной, чем выше «модуль клапана». Для учета этого в расчетное уравнение (2) введен коэффициент К, линейно зависящий от «модуля клапана». г с) ~ а«ьк р « ' ~«а,ь г«~ (3) р -С,). (..„— С,Ц. (4) Коэффициент С| в уравнении (4) изменяется для исследованных клапанов в пределах 20 —:25 см ', а коэффициент С, равен 300 кгс(см'. 1О Физический смысл введенного коэффициента К удалось понять после установления Д. Б. Добрушкиным и др.