Совершенствование герметичных разъемных соединений с уплотняющими элементами из материалов с зависящими от нагрузки физико-механическими свойствами

Герметичные системы уплотнений широко применяются в оборудовании различных отраслей промышленности — химическом и энергетическом машиностроении, судостроении, автомобилестроении, космической и авиационной технике и др /32, 84, 87, 101, 162/. В герметичных системах используются уплотнительные элементы, от работоспособности которых зависит качество работы оборудования в целом. Предельные значения рабочих давлений определяются состоянием уплотнительной техники. Как показывает опыт эксплуатации такого оборудования, узлы уплотнения агрегатов и машин являются, как правило, наименее надежными элементами. При выходе из строя узла или системы уплотнения, включающей как само уплотнение (прокладку, сальниковую набивку и т. д.), так охватывающие и обжимающие его детали, агрегат перестает быть работоспособным, увеличивается опасность возникновения аварии. Нарушение герметичности ведет к нарушению технологии процесса, снижению качества получаемого продукта, к потере сырья и, соответственно, к удорожанию выпускаемой продукции. Кроме того, нарушение герметичности работающего оборудования может привести к человеческим жертвам и к экологическим катастрофам. Поэтому понятен интерес многих авторов к всестороннему исследованию работы всех видов уплотнений и герметичных систем в различных условиях эксплуатации.

С шестидесятых годов прошлого столетия проводятся ежегодные международные конференции по вопросам уплотнительной техники, на которых ведущими учеными рассматривались и рассматриваются проблемы герметизации оборудования.

Большой вклад в совершенствование уплотнительной техники внесли отечественные ученые. В работах Л. П. Карасева /72/, О. В. Румянцева /163/, А. Д. Домашнева /57/, В.Д.Продана/140/. Л. А. Кондакова /85/, Т. М. Башты /11/, Г. В.Макарова/101/, Д. Ф. Гуревича /49/, В. Т. Бабкина /8/ и др. рассмотрен комплекс вопросов, связанных с обеспечением герметичности подвижных и неподвижных соединений. В настоящее время в периодической печати постоянно представляются работы, посвященные исследованию отдельных узких вопросов уплотнительной техники, проводятся общероссийские конференции, на которых обсуждаются проблемы совершенствования уплотнительной техники и широкого распространения наиболее эффективных конструкций.

В РФ создана организация «Некоммерческое партнерство «Уплотнительная техника» для решения проблем развития уплотнительной техники, реализации проектов охране окружающей среды и т. д/194/. Все это свидетельствует о важности проблемы. Однако, на наш взгляд, до сих пор при расчете узлов уплотнений оборудования на герметичность не учитывается ряд важных факторов. Например, у целой группы материалов, используемых для уплотнений, модуль упругости не является постоянной величиной, а зависит от величины и вида нагружения. К таким материалам относятся резина, фторопласты, и в частности фторопласт-4, графит, терморасширенный графит, который в настоящее время находит все большее применение. Так же ведут себя и мягкие металлические прокладки, работающие за областью упругости.

Изложенное делает вопросы совершенствования конструкций и меч одов расчета уплотнений актуальными в практическом и в научном плане.

Совокупность излагаемых в работе научных положений, идей и практических результатов составляют новое направление в области теоретических и практических методов обеспечения герметичности разъемных соединений по совершенствованию узлов уплотнений и методики их расчета на герметичность с уплотнением из материалов с зависящими от нагрузки физико-механическими свойствами как на стадии их конструирования, так и в процессе эксплуатации.

Выполненные исследования направлены на решение общей проблемы совершенствования узлов уплотнений и методов их расчета на герметичность.

Автор защищает изложенные в работе в рамках этой проблемы научно обоснованные технические решения по совершенствованию узлов уплотнений и методики их расчета на герметичность с учетом переменности физико-механических свойств материалов уплогнительных элементов (прежде всего, на примере наиболее распространенного фторопласта-4).

Фторопласт-4 является уникальным материалом, используемым и как конструкционный материал для создания оборудования, и как материал для изготовления уплотни гельныч элементов для неподвижных и подвижных разъемных соединений /21, 167/.

Безаварийная работа оборудования, для которого рабочими средами являются высокоагрессивные вещества, возможна, если его конструктивные элементы выполнены из материалов в определенной степени устойчивыми к этой среде. Задача подбора необходимого материала осложняется тем, что в каждом конкретном случае кроме агрессивных свойств среды необходимо учитывать рабочие условия проведения самого процесса: давление рабочей среды, ее температуру и время эксплуатации.

Аналогичные проблемы возникают и при создании оборудования для производства особо чистых веществ и реактивов /9/. Если при разработке оборудования, работающего с высокоагрессивными средами, конструктор при подборе конструкционных материалов озабочен их устойчивостью в рабочей среде, то при создании оборудования для получения особо чистых веществ и реактивов необходимы конструкционные материалы, которые в процессе получения продукции не будут ее загрязнять своими отдельными компонентами.

Из всех применяемых в настоящее время материалов в силу своих специфических особенностей наиболее подходящими для указанных условий-работа в высоко агрессивных средах и получение особо чистых веществ—являются фторопласты, и особенно—фторопласг-4.

С целью получения данных по физико-механическим свойствам фторопластов был выполнен ряд исследований как у нас в России, так и за рубежом, отдельные результаты которых опубликованы в специальных монографиях и в научно-технических журналах. Однако для проведения всех стадий проектирования фторопластового оборудования, и особенно узлов герметизации, для работы с агрессивными рабочими средами и получения особо чистых веществ, как показал наш многолетний опыт работы с подобным оборудованием, этих опубликованных данных явно недостаточно. В процессе разработки конкретной установки почти всегда приходилось проводить дополнительные исследования с целью определения поведения материала в новых условиях, отличных от приведенных в публикациях, или уточнять уже известные параметры. Здесь следует учесть, что стойкое 1ь материала и ресурс работы элемента, выполненного из этого материала, во многом зависит не только от свойств самого конструкционного материала и его устойчивости против внешних воздействий (свойств рабочей среды, нагрузки и температуры), но и от условия работы этого элемента и даже его формы.

Представляемый в данной работе материал является, в основном, результатом многолетнего накопленного опыта автора в конструировании, расчете и эксплуатации оборудования и, в частности, его узлов уплотнений для работы с высокоагрессивными средами и получения особо чистых веществ. Здесь нашли отражения только материалы, выполненные под руководством и при непосредственном участии автора. В данной работе не приводятся прочностные расчеты элементов конструкций и гидродинамические расчеты аппаратуры, основанные на известных методиках.

Цель настоящей работы — обосновать теоретически и подтвердить практически полученные рекомендации по расчету и конструированию разъемных герметичных соединений оборудования с уплотнительными элементами, выполненными из материалов, деформационные характеристики которых зависят от вида и величины нагружения.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

— определить ряд типичных представителей уплотняющих материалов, физико-механические свойства которых зависят от величины и характера нагружения: сжатия или восстановления;

— учесть интенсивность изменения деформации этого ряда материалов от нагрузки при сжатии и при восстановлении введением специальных модулей сжатия и восстановления;

— установить зависимость модулей сжатия и восстановления, а также нагрузки на прокладку и на крепежные элементы от условия размещения прокладки в соединениисформулировать физическое представление о механизме ползучести указанных прокладочных материалов;

— исследовать влияние цикличности изменения нагрузки на работоспособность соединения с прокладкой из указанных материалов;

— аналитически определить и экспериментально подтвердить условия герметичности уплотняющих поверхностей из указанных материалов в зависимости от давления среды, удельной нагрузки на уплотняющие поверхности и ширины их зоны контакта (выражение для определения утечки среды) — установить условия радиальной деформации кольцевого уплотнительного элемента, при различных способах его размещения между фланцами при сжатии;

— разработать математическую модель работы уплотнения и установить рациональную, исходя из герметичности и материалоемкости соединения, ширину уплотнительной прокладки и зону ее размещения между фланцами;

— создать экспериментальный комплекс для исследования деформационных характеристик сальниковых набивок (коэффициента бокового давления, модулей сжатия и восстановления, коэффициента трения), получить уравнения для определения этих параметров для отдельных типов набивокразработать методику и создать экспериментальную установку для оценки проницаемости сальниковых набивок, и экспериментально получить значения коэффициентов проницаемости для отдельных типов набивок;

— разработать методики расчета для различных разъемных герметичных соединений с уплотнителями из рассматриваемых материалов на основании результатов исследований.

В первой главе Анализируются две концепции механизма герметизации разъемных неподвижных соединений: первая—замкнутая полоса контакта уплотняющих поверхностей и вторая— дискретный характер их контакта. Рассмотрены типовые конструкции разъемных герметичных неподвижных и подвижных соединений. Приводится предложенная автором классификация существующих неподвижных разъемных герметичных соединений. Представлены различные типы уплотняющих элементов и материалы из которых они изготовлены. Даны основные физико-механические свойства фторопласта-4. Приводятся существующие методы расчета разъемных соединений на герметичность и дается структурный анализ расчетных выражений, применяемых при расчете разъемных соединений на герметичность.

Во второй главе подтверждается существование группы прокладочных материалов, деформационные характеристики которых зависят от величины и вида нагружения. Проводится анализ влияния условий эксплуатации (нагрузка, температура, и др.) на элементы, выполненные из указанных материалов. Результаты анализа-изменение отдельных физико-механических показателей этих материалов в зависимости от условий эксплуатации изделия.

Установлено, что характер деформации прокладочных элементов при растяжении, сжатии и восстановлении различен. Впервые предложено оценивать интенсивность этих деформаций модулями растяжения, сжатия и восстановления, значение которых зависит от нагрузки, ее вида и температуры. По данным экспериментов для фторопласта-4 получены уравнения для определения модулей.

Установлено влияние способа размещения прокладки в соединении на его коэффициенты самоуплотнения и жесткости, а также на нагрузки в крепежных элементах и на прокладку.

Сформулировано физическое представление о механизме ползучести указанных прокладочных материалов. Представлены исследования по оценке, определены расчетные параметры выбраной модели ползучести и их зависимость от температуры и времени для фторопласта-4.

Изложены результаты исследований влияния цикличности нагружения на остаточную деформацию прокладки. Получены выражения для оценки влияния числа циклов нагружения на величину остаточной деформации.

Представлена специально созданная методика и экспериментальная установка для определения проницаемости пленок из фторполимеров агрессивными жидкими средами. По результатам проведенных экспериментов получены уравнения для определения коэффициента диффузии и требуемой толщины защитного слоя фторполимера при создании оборудования.

Третья глав*" посвящена герметичности разъемных неподвижных соединений с уплотнительными элементами из материалов с переменными от вида и величины нагружения физико-механическими свойствами.

Представлены экспериментальные установки, на которых по разработанным методикам выполнены исследования условий сопряжения (сближения) фторопластовой и стальной поверхностей и двух фторопластовых поверхностей в зависимости от их шероховатостей и удельной нагрузки на них. Получены выражения для определения коэффициента осевой податливости микронеровностей поверхностей в зависимости от их высоты и нагрузки.

Рассмотрены условия герметичности разъемных неподвижных соединений с уплотнительными элементами из рассматриваемых материалов, для чего разработаны аналитические модели утечки уплотняемой среды и получены аналитические выражения для ее определения.

Представлен разработанный автором экспериментальный комплекс и методика проведения экспериментальных исследований условий герметичности фторопластовых уплотняющих поверхностей по допускаемой утечке (условная герметичность). Получены экспериментальные зависимости и выражение для определения утечки среды от ее давления, удельной нагрузки на уплотняющие поверхности и их ширины контакта. Установлено, что фильтрационная модель может быть использована для оценки утечки уплотняемой среды в зоне контакта уплотняющих поверхностей.

8 1.

В качестве условия герметичности принята утечка воздуха 0,5 10 м /с м, что меньше, чем принято на практике. Получены выражения для определения критерия герметичности в зависимости от, войств уплотняемого газа и его давления, удельной нагрузки на уплотняющей фторопластовой поверхности (поверхностях), высоты шероховатое ги уплотняющей поверхности и ее ширины при принятой величине утечки воздуха.

Проведены эксперименты по исследованию утечки из зоны контакта сопрягаемых уплотняемых фторопластовых поверхностей, на которых были выполнены кольцевые проточки (лабиринты). Сравнения показали, что величина утечки при наличии лабиринтов уменьшается почти в два раза.

Представлены исследования влияния структуры фторопласта-4 на герметичность соединения. Результаты этих исследований показали, что герметичность прокладки, выполненной из мелкодисперсного фторопласта-4 на 30% выше, чем из обычного фторопласта-4.

В четвертой главе изложены особенности расчета и конструирования разъемных соединений с уплотнительными элементами из материалов, деформационные характеристики которых зависят от величины и вида нагружения, и влияния условий эксплуатации на их работу.

Рассматриваются условия выбора необходимой, исходя из минимизации металлоемкости соединения, ширины прокладки и зоны ее размещения между фланцами с учетом переменного значения модулей сжатия и восстановления прокладки. Получены выражения для определения этих важных конструктивных параметров, подкрепленных расчетами металлоемкости соединения.

Для снижения интенсивности ползучести прокладочных материалов, рассмотрен узел фланцевого соединения с опорным элементом, выполненным из более жесткого чем прокладка материала, и размещенного параллельно прокладке. Представлены уравнения для определения геометрических параметров прокладки и опорного элемента с учетом переменного значения модулей сжатия и восстановления материала прокладки. Проведенные экспериментальные исследования с фторопластовой прокладкой подтвердили эффективность работы такого соединения и правомерность применения полученных расчетных зависимостей.

Получены основные выражения для расчета и конструирования герметичных разъемных соединений, учитывающие переменный характер деформационных характеристик прокладочных материалов: для оценки релаксации напряжений во фланцевом соединении в зависимости от нагрузки на элементы соединения и температуры рабочей средывлияния изменения температуры и давления рабочей среды на силовое равновесие разъемного соединения и др.

В пятой гла. е установлено, что при осевом сжатии цилиндрической втулки, установленной без ограничения радиальных перемещений, ее радиальная деформация происходит только по внешнему контуру. При сжатии втулки в замкнутом объеме возникает радиальная нагрузка как по наружному, так и по внутреннему контуру. При использовании фторопластовой втулки в качестве сальниковой набивки значение радиальной нагрузки на внутреннем контуре на 15−30% превышает его значение на наружном контуре набивки. Точная величина превышения нагрузки определяется физико-механическими свойствами материала набивки (модулем сжатия и коэффициентом Пуассона).

Рассмотрены существующие конструкции сальниковых уплотнений и даны рекомендации по их усовершенствованию.

Представлен анализ существующих методов оценки деформационных характеристик набивок и отмечены их недостатки. Разработана экспериментальная установка, на которой определены коэффициент бокового давления и модули сжатия и восстановления сальниковых набивок: неразрезанных колец из фторопласта-4 и плетеных из фторопласта-4 и волокон ра?.шчных материалов (хлопчатобумажные нити, стекловолокно, терморасширенный графит и др.).

Создана экспериментальная установка для определения коэффициента трения материала рассматриваемых видов набивки при контакте их со стальной поверхностью.

В результате обработки экспериментальных данных получены выражения для определения коэффициента бокового давления, модулей сжатия и восстановления, и коэффициента трения в зависимости от нагрузки для всех исследованных типов набивки.

Разработана установка по исследованию проницаемости сальниковых набивок. По результатам проведенных исследований получено выражение для определения коэффициента проницаемости исследованных типов набивки.

Шестая глава посвящена вопросам расчета и конструирования разъемных герметичных соединений оборудования, для которого в качестве материала для отдельных или для всех его элементов используются материалы рассматриваемой группы.

На основании разработаннго метода расчета шарового крана получены необходимые расчетные выражения для обеспечения его герметичности и для определения геометрических размеров его отдельных элементов. Установлены причины заедания шаровой пробки и даны рекомендации по их устранению.

Представлена новая конструкция сальникового узла уплотнения подвижного соединения (шток? или вала), работающего при повышенной температуре. Сальниковая коробка выполнена двухслойной, что позволяет исключить влияние температуры на герметичность сальника. Получены уравнения для определения требуемых геометрических параметров двухслойной сальниковой коробки в зависимости от температуры.

Представлены варианты выполнения соединительных узлов аппаратов из низкомодульных материалов рассматриваемой группы. Получены уравнения для расчета этих узлов как в нормальных условиях, так и при повышении температуры рабочей среды.

Получены уравнения для определения составляющих осевой податливости крышки (днища).

Разработана конструкция и методика расчета бугельного соединения с учетом переменного значения модулей сжатия, восстановления и на ее основании получены необходимые расчетные зависимости для определения силовых и геометрических параметров.

Представлена конструкция разъемного штуцерного соединения, выполненного из фторопласта-4, для которого силовые и геометрические параметры были рассчитаны с учетом переменного значения модулей сжатия, восстановления и с учетом данных, полученных в настоящей работе. Экспериментальные исследования подтвердили правильность принятых расчетных выражений.

Научная новизна диссертационной работы:

— установлен ряд типичных представителей материалов, для которых интенсивность изменения деформации от нагрузки зависит от величины и характера нагружения;

— предложено оценивать указанную интенсивность модулями сжатия и восстановления, которые, как и нагрузка на прокладку и на крепежные элементы, зависят от условия размещения прокладки в соединенииполучены (на примере фторопласта-4) выражения для оценки модулей сжатия и восстановления, разработаны методы расчета коэффициента жесткости соединения с учетом условий эксплуатации и методы расчета деформации от ползучести и цикличности в зависимости от температуры, величины и характера нагружения с учетом модулей сжатия и восстановления;

— предложена математическая модель уплотнения для определения рациональной с точки зрения герметичности и материалоемкости ширины уплотнителыюй прокладки и зоны ее размещения;

— разработаны расчетные выражения для оценки условий деформации сальниковой набивки, нагруженной осевой силойустановлено, что при осевом сжатии набивки радиальная деформация ее происходит в основном по наружному контуруесли набивка в замкнутом объеме, то значение радиальной нагрузки на внутреннем контуре превышает ее значение на наружном контуре в зависимости от величины коэффициента Пуассона материала набивки;

— проведено исследование условий герметичности разъемных соединений с сопрягаемыми уплотняющими поверхностямиустановлено, что дисперсность исходного порошка фторопласта-4, из которого выполнен уплотнитель, влияет на его герметизирующую способностьразработана методика расчета и конструирования фланцевого соединения с опорным элементом, установленным параллельно уплотнительной прокладке, осевая жесткость которого превышает осевую жесткость самой прокладки;

— установлено, что часть толщины сопрягаемых элементов разъемного герметичного соединения в рабочих условиях частично нагружается, а другая часть частично разгружаетсяполучены выражения для оценки изменения нагрузок на сопрягаемых элементах.

Практическая значимость работы.

Разработаны методы оценки деформационных характеристик, зависящих от величины и характера нагружения для материалов, обладающих такими свойствами.

Установлена зависимость модулей сжатия и восстановления, а также нагрузок на прокладку и на крепежные элементы от условия размещения прокладки в соединении.

Получены уравнения для определения влияния циклического изменения нагрузки на значение остаточной деформации и высоту прокладки.

Получено выражение для определения рациональной ширины прокладки и рекомендации по ее размещению для снижения материалоемкости и повышения эффективности соединения.

Разработан узел фланцевого соединения с размещенным параллельно прокладке опорным элементом, выполненным из более жесткого, чем прокладка материала, повышающий срок службы соединения и получены уравнения для расчета соединения.

Установлено, что радиальная деформация кольцевого уплотняющего элемента, находящегося под осевой нагрузкой и без радиального ограничения происходит в основном по наружному его контуру.

Получены расчетные выражения для определения модулей сжатия и восстановления фторопласта-4 в зависимости от температуры, величины, продолжительности и характера нагружения.

Получено выражение для расчета влияния ползучести на работу разъемного соединения с уплотнителем из указанных материаловдля фторопласта-4 определено значение параметров, входящих в это выражение.

Получено уравнение для оценки утечки уплотняемой среды в зависимости от удельной нагрузки на уплотняющих поверхностях, их ширины и давления средыпо результатам экспериментальных исследований получено выражение для определения утечки при уплотнении двух фторопластовых поверхностей.

Получено уравнение для определения изменения осевой нагрузки по высоте набивки и установлено, что значение радиальной нагрузки на внутреннем контуре сальниковой набивки превышает ее значение на наружном контуре на величину, зависящую от коэффициента Пуассонаразработаны методики исследования для определения коэффициентов бокового давления и проницаемости набивок.

Получены выражения для расчета узлов соединения царг составного аппарата во фторопластовом исполнении.

Разработаны эффективные конструкции сальниковых уплотнений, включающих конструкцию двухслойной сальниковой коробки, защищенную патентом РФ и конструкции опорных и нажимных втулок.

Разработаны методики расчета и конструирования шарового крана, бугельного соединения, разъемного штуцера для крышки фторопластового оборудования, повышающие срок службы соединения до ремонта.

Автор защищает:

— научно обоснованные технические решения по совершенствованию узлов уплотнений и методики их расчета на герметичность с уплотнителями из материалов с зависящими от нагрузки физико-механическими свойствами (на примере наиболее распространенного в качестве уплотнительного материалафторопласта-4) как на стадии их конструирования, так и в процессе эксплуатации;

— методики и результаты исследований физико-механических характеристик уплотнительных элементов, выполненных из материалов, у которых эти характеристики зависят от величины и характера нагружения;

— условие радиальной деформации кольцевого уплотнительного элемента под действием осевой нагрузки;

— методику и результаты исследований условий герметичности сопрягаемых фторопластовых поверхностей;

— методику определения коэффициентов бокового давления и проницаемости сальниковых набивок;

— новые технические решения при конструировании сальниковых уплотнений: значение угла конуса опорной и нажимной втулки, двухслойной сальниковой коробки, обеспечивающей заданное усилие нагружения набивки сальника и уравнение для расчета этой сальниковой коробки;

— методики расчета и конструирования новых видов шарового крана, бугельного соединения и разъемного штуцера для фторопластового оборудования;

— условие деформации элементов разъемного герметичного соединения и выражения для оценки их коэффициентов осевой податливости.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались на Всесоюзной конференции «Повышение качества герметизирующих соединений), г. Пенза, 1989 г.- на Всесоюзном совещании «Повышение эффективности и надежности машин и аппаратов в основной химии), г. Сумы, 1989 г.- на конференции «Управление качеством уплотнений и метрологическое обеспечение процессов механообработки), г. Пенза, 1991 г.- на семинаре Международной выставки «БЕЛХИМИЯ-94> <Применение фторопластов в различных отраслях промышленности), г. Минск, 1994 гна X конференции по химии высокочистых веществ, г. Нижний Новгород, 1995 г.- на второй Всероссийской конференции Уплотнительная Техника, г. Москва, 2007 г.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 24 работысделано 7 докладов с их изданием в трудах конференцийполучено 7 патентов РФ и авторских свидетельств СССР. В изданиях, учитываемых ВАК представлено 27 публикаций.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературных источников и приложения. Работа изложена на 353 страницах основного текста, содержит 115 рисунков, 38 таблиц, список литературы из 225 наименований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

Основным результатом работы являются научно обоснованные технические решения по совершенствованию узлов уплотнений и методики их расчета на герметичность с материалами уплотнительных элементов, обладающих переменным от нагрузки и ее характера значением физико-механических характеристик (прежде всего, на примере наиболее распространенного фторопласта-4) как на стадии их конструирования, так и в процессе эксплуатации.

1. Установлен ряд типичных представителей материалов, для которых интенсивность изменения деформации от нагрузки зависит от величины и характера нагружения (сжатие или восстановление). Для оценки напряженно деформированного состояния элемента выполненного из этих материалов введены условные модули. При сжатии-модуль сжатия Ес, к и при восстановлении сжатого элемента-модуль восстановления Евс.

Установлено, что модули сжатия и восстановления зависят от удельной нагрузки, температуры и характера деформации: сжатия или растяжения, нагружения или восстановления.

Модули сжатия и восстановления, коэффициенты осевой податливости прокладки, а также герметичность соединения и прочность крепежных элементов зависят от условия размещения прокладки в соединении.

Использование переменного значения модулей сжатия и восстановления в расчетных выражениях ведет к снижению величины усилия затяжки соединения и к определению реальной величины падения нагрузки в нем из-за релаксации.

Для оценки этих модулей предложена методика их определения по опытным данным. Для фторопласта-4 получены расчетные зависимости.

2. Установлено, что при осевом сжатии кольцевого элемента радиальная деформация его происходит в основном по наружному контуру.

3. Сформулировано физическое представление о механизме ползучести указанных прокладочных материалов. Получено выражение для расчета влияния ползучести на работу разъемного соединения с уплотнительным элементом из рассматриваемых матермалов.

По данным исследования ползучести фторопласта-4 в зависимости от величины нагружения (до 12,0 МПа) и его характера (сжатие или растяжение), времени нагружения (до 10 000 часов) и температуры (20 — 100 °С) получены выражения для определения коэффициентов и показателей ползучести.

4. Получены выражения для оценки влияния числа циклов многоциклового и малоциклового нагружения на величину остаточной деформации. Результаты проведенных исследований показали, что при применении элементов из прокладочных материалов, подверженных переменным нагрузкам, необходимо ограничивать до определенного значения как число циклов изменения нагрузки, так и ее величину.

5. Установлено, что для оценки утечки уплотняемой среды в зоне контакта уплотняющих поверхностей, выполненных из материалов, физико-механические характеристики которых зависят от характера и величины нагружения, может быть использована фильтрационная модель.

Создан экспериментальный комплекс для исследования условий герметизации. Проведена оценка и получена зависимость для определения величины утечки уплотняемого воздуха в зависимости от удельной нагрузки на уплотняющих поверхностях, их ширины и давления рабочей среды.

Для фторопластовых уплотняющих поверхностей была использована оценка герметичности — по величине утечки. Полученные данные позволяют выбрать критерий герметичности в зависимости от рабочего давления и величины допускаемой в данных условиях утечки уплотняемой среды.

6. Разработана математическая модель уплотнения для расчета необходимого значения ширины прокладки. Определение этой ширины и зоны размещения прокладки между фланцами позволяет уменьшить металлоемкость фланцевого соединения без ущерба для прочности его составляющих элементов. Так, масса стандартного фланца Оу 100 мм и ру 1,6 МПа на 30% превышает массу фланца, рассчитанного с учетом переменных значений модулей сжатия и восстановления, необходимых значений ширины и среднего диаметра прокладки.

7. Для увеличения срока службы до ремонта разъемных соединений с прокладками из материалов, обладающих переменным от нагрузки и ее характера значением физико-механических характеристик, разработан узел фланцевого соединения с опорным элементом, выполненным из более жесткого, чем прокладка материала, и размещенного параллельно прокладке. Получены уравнения для определения необходимых геометрических параметров прокладки и опорного элемента. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили эффективность работы такого соединения и правомерность применения полученных расчетных зависимостей.

8. Получены расчетные выражения для оценки условий деформации сальниковой набивки, нагруженной осевой силой. Установлено, что при размещении набивки в замкнутом объеме радиальная нагрузка на внутреннем контуре превышает ее значение на наружном контуре. Величина превышения определяется физико-механическими свойствами материала набивки (модулем сжатия и коэффициентом Пуассона).

Разработана методика и экспериментальная установка для определения коэффициента бокового давления сальниковой набивки, в основу которой заложен новый подход-оценка потерь на трение приложенной к набивке осевой силы. В этом случае определяется необходимый расчетный комплекс кТ как усредненная величина по двум контурам набивки: внутреннему и наружному.

Для удобства практического использования полученных результатов по деформации сальниковых набивок введены условные модули сжатия и восстановления, характеризующие интенсивность изменения нагрузки от относительной деформации сжатия или восстановления. Получены уравнения для их определения.

Разработана методика и экспериментальная установка для оценки проницаемости сальниковых набивок и получены значения коэффициентов проницаемости для отдельных видов набивок.

9. Использование в расчетной практике переменных значений модулей сжатия и восстановления прокладочных материалов, математической модели уплотнения для определения ширины прокладки и зоны ее расположения, представленных в работе новых конструкций узлов уплотнений и методов их расчета даёт существенное повышение герметизирующей способности соединения (вплоть до молекулярного истечения среды), увеличивает его срок службы (до 25−30%), уменьшает его материалоемкость (на 10−30%), снижает себестоимость узлов уплотнений (на 5−15%) и даёт в целом значительный технико-экономический эффект.