Основы теории герметичности

Реферат Основы теории герметичности

Наиболее важной характеристикой уплотнений является их герметизирующая способность. Требования к герметичности соединений определяют выбор типа уплотнения и влияют на конструктивную схему всего агрегата.

Теория герметичности изучает и обобщает возможности уплотнений различных классов.

Значительные успехи уплотнительной техники позволили качественно объяснить механизм герметизации уплотнениями различных типов и создать научную основу их проектирования.

Несмотря на это, для количественной оценки параметров уплотнений основным источником информации по_прежнему являются экспериментальные данные, анализ которых может быть плодотворным только на основе определенной теории.

Режим течения определяют сравнением числа Рейнольдса Re = 4R_Г/ с его критическим значением Re_КР (- средняя скорость потока, м/с; R_Г — гидравлический радиус канала, м; = / — кинематическая вязкость жидкости, м²/с). Для круглых капилляров диаметром d _ R_Г = d/4 и Re = d/. Для щелей с малой высотой и большой шириной В — R_Г ~ /2 и число Рейнольдса Re = 2/.

Число Рейнольдса выражает отношение сил инерции к силам трения, действующим на элемент жидкости. При Re < Re_КР происходит ламинарное течение, при Re > Re_КР — турбулентное. При Re Re_КР режим течения соответствует области автомодельности (режим квадратичного сопротивления).

Сравнение уплотнений удобно выполнять по удельным утечкам, м³/(мс) при прочих равных условиях (т.е. утечки за единицу времени, отнесенные к единице периметра). Например, расчетная формула для ламинарного течения вязких жидкости через микрозазор

(1)

где = 0,1₀, 2 — безразмерный коэффициент формы.

Для маловязких жидкостей при турбулентном режиме течения удельные утечки определяют по формуле:

(2)

где _Т = F(Re, …) — слабая функция числа Re (для автомодельного турбулентного режима практически _Т = const).

В реальных щелевых уплотнениях необходимо учитывать деформацию стенок под действием давления, температурные деформации, вибрацию и другие динамические факторы, а также зависимость вязкости уплотняемой среды от давления и температуры.

Все это усложняет задачу расчета и приводит к громоздким математическим выражениям.

Поэтому на практике используют формулы, приведенные в Лекции 11, и корректируют результаты расчета путем введения безразмерных коэффициентов формы, получаемых на основе экспериментальных данных.

Диффузионное проникновение среды Негерметичность вследствие диффузии в той или иной степени свойственна всем уплотнениям. Диффузия (взаимное проникновение двух и более соприкасающихся веществ) обусловлена разностью концентраций С одного вещества в другом.

Диффузию среды через диафрагму подразделяют на следующие стадии:

Поглощение жидкости (газа) уплотнителем — сорбция (коэффициент сорбции — ₁, м/с).

Диффузия среды через перегородку (коэффициент диффузии D_P, м²/с.

Выделение (десорбция) среды с другой стороны уплотнителя (коэффициент ₂, м/с).

При стационарном процессе на основании первого закона Фика через перегородку толщиной l и площадью S, массовый расход Q_mS, кг/с, и объемный расход Q_S, м³/с, расходы среды пропорциональны градиенту концентраций dС/dx ~ C/l :

_,

где — функция проницаемости, м²/с; q_P — степень набухания — относительное содержанием среды в материале уплотнителя, определяемое по кинетическим кривым набухания q(t).

Эти расходы очень малы по сравнению с утечками. В качестве характеристики уплотнения применяют удельную проницаемость единицы площади в единицу времени. Например, для диафрагменных уплотнений эта величина составляет 10^-14 м³/(м²с).

Диффузионная проницаемость по контактной поверхности Область контакта уплотнителя с уплотняемой поверхностью отличается неоднородностью структуры, в ней нет полной сплошности, свойственной материалу основных деталей. Механизм контактной диффузии очень сложен и количественно не изучен. В связи с этим данный вид диффузии удобно рассматривать как диффузное проникновение среды, вводя соответствующие поправочные коэффициенты в уравнения 14.3. При этом полагают, что высота зоны контакта примерно равна параметру шероховатости R_Z (S = BR_Z), толщина этой зоны меньше длины контакта в k₁ раз (k₁<1), вследствие более рыхлой структуры поверхностных пленок _Sk = k_S. Тогда массовый расход и удельная проницаемость:

Утечки вследствие контактной диффузии пропорциональны периметру уплотнения.

Контактные уплотнения неподвижных соединений

Основным механизмом утечки является течение среды через неплотности — микроканалы — между поверхностями уплотнителя и детали, возникающие вследствие шероховатости поверхностей и наличия дефектов, температурных и силовых деформаций.

При действии перепада давления по отдельным капиллярам возникают утечки, величина которых пропорциональна ширине уплотнения В, обратно пропорциональна его длине (рис. 13.3) и может быть выражена уравнением вида

герметичность уплотнение турбулентный диффузия

(5)

где _Х — коэффициент формы, характеризующий проводимость микроканалов и являющийся безразмерной функцией состояния поверхностей, свойств материалов и контактного давления.

Эта величина учитывает влияние как регулярных микроискажений формы поверхности _Р (шероховатость, волнистость), так и совершенно случайных дефектов (рисок, раковин, пор, частиц загрязнений _Д):

(6)

Сближение контактирующих поверхностей под действием контурного давления р_К происходит в три стадии (рис. 1):

Внедрение самых больших выступов.

Заполнение регулярных микровпадин.

Заполнение впадин — дефектов.

При установке уплотнений должно быть обеспечено давление р_К, при котором регулярные микроканалы полностью перекрыты и _Р = 0. Из опыта эксплуатации уплотнений известно, что для резин с модулем Е= 7₁₂ МПа в конце срока службы необходимо р_К 0,25 МПа, поэтому при монтаже нового уплотнения с учетом последующей релаксации напряжений в материале уплотнителя следует обеспечить р_К = 1,5₃ МПа. Для металлических прокладок необходимы значительно большие давления: для алюминия — 100₁₄₀ МПа, высоколегированной стали — 500₆₀₀ МПа.

При проектировании контактных уплотнений неподвижных соединений нужно стремиться к тому, чтобы уплотняющая способность обладала положительной обратной связью по отношению к уплотняемому давлению (рис. 2).

Под действием перепада давления р = р₁ — р₂ (рис. 14.2,а) уплотняемая среда просачивается в микрозазоры между уплотнителем 4 и торцовыми поверхностями, образующими уплотнение. Крышка 1 прижата болтами 2, за счет чего в уплотнении создается контактное давление р_К. Увеличение р приводит к снижению р_К, так как последнее является разностью между силой затяжки болтов 2 (постоянная величина) и р и, как следствие, — к увеличению утечек. В конструкции, изображенной на рис. 14.2,б, увеличение р приводит, с одной стороны, к уменьшению р_К на торцах уплотнителя, но, с другой стороны, к росту р_К на наружной цилиндрической поверхности уплотнителя, которой он опирается на цилиндрическую поверхность выточки, что, в конечном итоге, приводит к росту уплотняющей способности.

При выборе усилия, создающего давление в контакте р_К, необходимо также производить поверочный расчет на нераскрытие стыка уплотнения, который определит минимальное усилие затяжки, обеспечивающее отсутствие зазора в уплотнении.

Контактные уплотнения подвижных соединений (УВ, УПС) Движение контртел (валов, штоков и т. д.) по поверхности уплотнителя вызывает новые физические явления в зоне контакта. Между контактирующими поверхностями может возникнуть пленка смазочного материала, и в образовавшийся зазор может проникнуть герметизируемая среда. В торцовых и радиальных УВ поток, создаваемый перепадом давления р, перпендикулярен потоку жидкости в направлении скольжения. В УПС этот поток совпадает с направлением движения контртела (рис. 3).

Процессы в области контакта зависят прежде всего от свойств материалов контртел, поэтому они существенно различаются для металлических и эластомерных УПС и УВ. Одной из особенностей этих типов уплотнений является чрезвычайно широкий диапазон условий работы и возникающих при этом режимов трения. Переход от одного режима трения к другому обусловлен изменением таких рабочих параметров, как вязкость, скорость скольжения, контактное давление, и наличием (или отсутствием) пленки смазочного материала. Толщина этой пленки определяет не только расход, но и характер трения, который часто оценивают в виде безразмерного критерия режима G:

(7)

где — линейная скорость скольжения контртел.

В контактных уплотнениях часто для повышения герметичности стремятся увеличить контактное давление, однако при этом интенсифицируются процессы трения и износа. Поэтому для каждого конкретного уплотнения следует искать наиболее оптимальные условия работы, учитывающие как стремление к минимальным потерям рабочей жидкости и минимальному износу, так и экономические и технологические требования.

В уплотнениях разных видов при малых зазорах полного разделения контактных поверхностей нет. В пределах площади касания кроме жидких пленок возникают области соприкосновения граничных структур, в связи с чем реально происходит смешанное трение с полужидкостной смазкой. Этот режим отличается минимумом утечек и низким коэффициентом трения и является наиболее благоприятным для работы уплотнения.

Механические торцовые уплотнения Являются примером конструкции с положительной обратной связью по давлению (при увеличении давления уплотняемой среды зазор стремится к минимуму). Их действие основано на автоматическом регулировании (при заданных конструктивных параметрах) баланса сил, действующих на уплотнитель, который выполнен в виде «плавающего» кольца (рис. 4). Контактное давление создается совместным действием пружины и перепадом давления р₁ — р₂.

Чтобы уплотнение было герметичным, р_К должно превышать некоторую минимальную величину. Чтобы оно было длительно работоспособным, необходимо стремиться снизить силы трения, то есть р_К не должно превышать некоторой максимальной величины. Зависимости зазора в уплотнении от р_К и линейной скорости скольжения показаны на рис. 5.

Зазор и, соответственно, утечки резко увеличиваются при р_К < 0,07 МПа (рис. 5, а), а с увеличением р_К явно снижаются. При неподвижном вале зазор мал и не поддается измерению, сплошная масляная пленка отсутствует, а удельные утечки не превышают 0,1₀, 5 мм³/(мс). Когда при малом р_К одно из колец начинает вращаться, оно как бы всплывает с образованием масляной пленки толщиной около 0,5 мкм. Дальнейшее увеличение частоты вращения (линейной скорости скольжения) вызывает постепенное увеличение зазора до 2₃ мкм (рис. 5, б).

До некоторого предельного значения р_К пленка жидкости в зазоре проявляет свойства саморегулирующейся системы, уменьшаясь в толщине по мере увеличения нагрузки и увеличивая при этом подъемную силу.

Зазор условно можно представить в виде двух составных частей: _P, которая определяется шероховатостью и волнистостью поверхностей торцов, и _Г, которая определяется гидродинамическим эффектом.

Для определения _P используют формулу

(8)

где R_Z1 и R_Z2 — параметры шероховатости соответственно первой и второй контактирующей поверхности.

Исходные поверхности во время приработки довольно быстро теряют исходную форму, поэтому по уравнению (8) можно определить лишь порядок зазора _P .

Существует много теорий, объясняющих возникновение гидродинамических несущих сил. Все они основаны на рассмотрении гидродинамических эффектов на микроклиньях с учетом влияния волнистости и перекоса торцов. Гидродинамический зазор _Г формируется под действием фрикционного потока в направлении скольжения, натекающего на микровыступы и наклоны торцов перпендикулярно потоку жидкости. Принципиально зависимость для определения _Г имеет вид:

(9)

где k — безразмерный коэффициент (для масел k = 0,7₀, 15), n — показатель степени, принимается равным .

Расход Q (м³/с) под действием перепада давления р при _{Г P} определяют из уравнения

(10)

Здесь знак второго члена в скобках определяется направлением утечки: при течении от центра центробежные силы увеличивают утечку, при течении к центру — уменьшают.

Уплотнения соединений возвратно-поступательного движения (УПС) В большинстве УПС применяют эластомерные уплотнители манжетного или кольцевого типов. В зависимости от профиля сечения уплотнителя контактное давление по-разному распределяется вдоль уплотняющей поверхности, что оказывает большое влияние на формирование пленки смазочного материала.

Особенностью работы этих уплотнений является вынос движущимся контртелом (штоком, поршнем) на своей поверхности адсорбированной пленки жидкости (рис. 6). Толщина этой пленки ₁ при выходе из уплотняемой полости, как правило, не равна толщине пленки ₂ при движении в обратном направлении. Таким образом, за каждый двойной ход L контртела диаметром D объем утечки V равен разности объемов пленки при прямом и обратном ходах:

(11)

где h — эквивалентная толщина пленки, _1,2 — специальные безразмерные функции, учитывающие режимы работы УПС при прямом и обратном ходах контртела. При полностью жидкостной смазке = 1, при трении без жидкости = 0, при полужидкостной — 0 < < 1.

Для подобных конструкций уплотнений характерно следующее:

Для достаточно вязких масел существует зависимость вида Q = F(,p), характерная для жидкостной смазки. Для маловязких жидкостей (керосин, бензин, дизельное топливо) пленка смазочного материала практически отсутствует, утечек нет (= 0), до большого износа уплотнителя, коэффициент трения соответствует трению при граничной смазке или без смазочного материала.

При оптимальном распределении р_К в уплотнении можно добиться отсутствия утечек.

Для УПС характерна асимметрия силы трения при прямом (из полости цилиндра) и обратном ходе штока. При прямом ходе обычно создается жидкостная пленка, уменьшающая силу трения. При обратном ходе пленка значительно тоньше или совсем отсутствует, что увеличивает силу трения.

В момент реверса в УПС изменяется положение уплотнителя, а следовательно, и механизм смазки, поэтому работоспособность УПС существенно зависит от числа совершенных штоком ходов. Среднестатистические утечки через эластомерные УПС (манжеты, кольца Х-образного и пилообразного сечений) находятся в пределах 0,001₀, 5 см³/м² с преобладанием вероятных утечек на уровне 0,01 см³/м². Обычная наработка УПС с эластомерным наполнителем до появления сильной утечки 2L = 300₅₀₀ км.

1.Богданов С. Н. Автомобильные двигатели: Учебник для автотранспортных техникумов/ С. Н. Богданов, М. М. Буренков, И. Е. Иванов.-М.: Ма-шиностроение, 2007. 368с.

2.Вахламов В. К. Автомобили: Теория и конструкция автомобиля и двигателя: Учебник для студ. учреждений сред. проф. образования/ В. К. Вахламов, М. Г. Шатров, А. А. Юрчевский; Под ред. А. А. Юрчевского. — М.: Издательский центр «Академия», 2008. — 816 с.

3.Вахламов В. К. Подвижной состав автомобильного транспорта: Учебник для студ. учреждений сред. проф. образования. — М.: Издательский центр «Академия», 2009. — 480 с.

4.Проскурин А. И. Теория автомобиля. Примеры и задачи: Учебное пособие/ А. И. Проскурин.- Ростов н/Д: Феникс, 2009. 200 с. 5. Стуканов В. А. Основы теории автомобильных двигателей и автомобиля: Учебное пособие.- М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2008. 368 с.

5.Тарасик В. П. Теория автомобилей и двигателей: Учебное пособие/ В. П. Тарасик, М. П. Бренч. — Мн.: Новое знание, 2008. — 400 с.

6.Теория и конструкция автомобиля: Учебник для автотранспортных техникумов/ В. А. Иларионов, М. М. Морин, Н. М. Сергеев [и др.]. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 2007. — 368 с. 8. Туревский И. С. Теория автомобиля: Учебное пособие/ И. С. Туревский. — М.: Высш. шк., 2008. — 240 с.