Конструктивно-технологические особенности выбора величин зазоров в сопряжениях клапана с корпусом и с седлом в герметизируемой клапанно-седельной паре "конус-острая кромка"

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Самарский государственный университет путей сообщения, г. Самара;

Государственный университет-учебно-научно-производственный комплекс, г. Орел

Конструктивно-технологические особенности выбора величин зазоров в сопряжениях клапана с корпусом и с седлом в герметизируемой клапанно-седельной паре "конус-острая кромка"

Дудин М.П., Брума Е.В., Мулюкин О.П., Борзенков М.И.

Анализ отказов и неисправностей клапанно-седельной пневмогидроарматуры транспортной техники показывает, что основными факторами, влияющими на ее быстродействие, герметизирующую способность и ресурс, являются конструктивные, эксплуатационные и технологические, - таблица 1 [1-3].

Наиболее опасными отказами агрегатов являются отказы, вызванные разрушением деталей агрегатов или их элементов.

Причины разрушений могут быть различными: недостаточный запас прочности, недостаточная коррозионная стойкость, приложение нерасчетных нагрузок, недостаточная усталостная прочность, производственно-технологические дефекты, температурные расширения, концентраторы напряжений в конструкции деталей, монтажные напряжения при установке изделий на объекте, образование льда в агрегатах вследствие попадания внутрь влаги, пульсации гидрожидкости и др.

В ряде случаев, в конструкторско-технологической и эксплуатационной документации вынужденно расширен разбег пределов эксплуатационных характеристик клапанно-седельных пневмогидроагрегатов из-за возможного изменения зазора в сопряжении по месту центрирования клапана в корпусе или зазора по месту посадки клапана на седло в результате температурного воздействия рабочей или окружающей сред, износа сопрягаемых поверхностей элементов клапанно-седельнойпары или вследствии проведения предусмотренных у потребителя пневмогидроарматуры регламентируемых подрегулировок хода исполнительных органов, а также в силу проявления ряда деструктивных факторов (явления схватывания и адгезии в элементах сопряжений; проникновение в рабочие тракты агрегата инородных частиц и конденсата и т.п.) [1]. В работах [2-4] также отмечается негативное влияние сверхнормативной величины зазора в сопряжении направляющих поверхностей клапана и корпуса на эксплуатационные характеристики (быстродействие срабатывания, герметизирующая способность и ресурс уплотнителя клапанно-седельной пары) пневмогидроагрегатов, значительная часть которых содержит клапанно-седельную пару «конус острая кромка».

Для клапанно-седельных пар данного типа, в общем случае, назначение величины зазора между конусом клапана и острой кромкой седла производят с учетом следующих пяти факторов4 из которых первые три деструктивные:

- неперпендикулярность плоскости седла к оси отверстия седла, по которому центрируется (самоустанавливается) клапан;

- некруглости седла и конуса;

- перекоса геометрических осей клапана и седла;

- эксцентриситета геометрических осей отверстия седла и клапана 4;

- изменения физико-механических свойств материалов седла и клапана при варьировании в эксплуатации численных показателей климатических (температурных) и механических воздействий на элементы клапанно-седельных пар, приводящих к изменению геометрических размеров последних;

- влияние силы поверхностного натяжения жидкости в поверхности по зазору клапана с седлом;

- влияние смятия острой кромки;

- влияние метода обработки элементов запорной пары.

Таблица 1 Основные конструктивные, эксплуатационные и технологические факторы, определяющие быстродействие, герметизирующую способность клапанно-седельных пар пневмогидроарматуры транспортной техники

Ниже представлены расчетно-графические оценки степени влияния на величину зазора между конусом и острой кромкой седла как неперпендикулярности плоскости седла к оси отверстия седла, так и некруглости отверстия седла. Какв первом, так и во втором случае форма отверстия в седле рассматривалась в виде эллипса с больней «а» и малой «b» осями, то есть очерка сечения цилиндрической поверхности диаметром «d» плоскостью, неперпендикулярной ее оси (рисунок 1), для которого справедливо:

(1)

где - величина эллипсности отверстия в седле.

Рисунок 1 Эллипсность отверстия седла диаметром d в координатах «x, y»

1.Влияние неперпендикулярности плоскости седла к оси отверстия седла.

Графическая иллюстрация данного деструктивного фактора представлена на рисунке 2.

Выразим величину эллипсности

при условии , см.

соотношение (1), - через параметры «d» и «»:

(2)

С учетом (2) выражение (1) для «» примет вид:

(3)

Рисунок 2 Конструктивно-расчетная схема клапанно-седельной пары «конус - острая кромка» с компенсацией неперпендикулярности плоскости седла к оси отверстия седла. 1 - седло; 2 - конический клапан (в двух положениях); - угол конусности клапана; d- диаметр отверстия седла; aи b=d- соответственно, большая и малая оси эллипсного седла; - разновысотность граничных точек большой оси эллипсного седла; - угол неперпендикулярности плоскости седла к оси отверстия седла; x - требуемое радиальное смещение вершины конуса клапана для его посадки на эллипсное седло.

Зависимость (3) при разложении входящего в нее выражения в биноминальный ряд с отбрасыванием членов малого порядка (выше второй степени) принимает вид:

. (4)

Выведем соотношение взаимосвязи параметра «» с углом неперпендикулярности .

Из прямоугольного следует:

. (5)

С учетом (5) выражение (4) представимо в виде:

. (6)

Найдем соотношение, выражающее потребное радиальное смещение «x» вершины конусного клапана для компенсации неперпендикулярности плоскости седла к оси отверстия седла.

Из анализа соотношения сторон в и параллелограмме MKDC(рисунок 2) следует:

(7)

Из прямоугольного справедливо:

,

Откуда

(8)

С учетом (7) выражение (8) примет вид:

(9)

Выражение (9) с учетом (5) представимо в виде:

(10)

На рисунке 3 представлены графики зависимости эллипсности от неперпендикулярности плоскости седла к оси отверстия седла, рассматриваемой клапанно-седельной пары для диаметров «d» отверстий седла 5, 10, 15 и 30 мм.

Из анализа кривых на рисунке 3 следует, что эллипсность седел при уменьшении диаметра отверстия седла возрастает; причем очевидно, что неперпендикулярность 0,01 мм и менее на герметичность оцениваемой клапанно-седельной пары влияния практически не оказывает.

Рисунок 3 Семейство зависимостей эллипсности от неперпендикулярности плоскости седла к оси отверстия седла клапанно-седельной пары «конус-острая кромка»

Из (9) следует, что при выборе посадки клапана в корпус для компенсации неперпендикулярности плоскости седла к оси отверстия седла следует принимать минимальный зазор в сопряжении по месту центрирования направляющей поверхности клапана в корпусе примерно в два раза больше заданной (обеспеченной в производстве) величины неперпендикулярности.

2. Влияние некруглости отверстия

На производстве при различных способах механической обработки некруглость отверстия седла формируется, как правило, в виде эллипсности или в виде огранки, причем последняя, в отличие от первой, не может быть компенсирована поворотом оси клапана относительно оси седла [5].

Некруглость отверстия в виде эллипсности (рисунок 1) иллюстрирует клапанно-седельная пара на рисунке 4.

Из рисунка 4 определен угол , на который должен повернуться кклапан для компенсации эллипсности отверстия седла [2]:

(11)

На рисунке 5 [2] отражена зависимость для угла перекоса оси клапана, необходимого для компенсации эллипсности отверстия седла.

Одновременно отметим, что современные виды механической обработки элементов клапанно-седельных пар легко обеспечивают величину эллипсности отверстия седла не более 0,01 мм.

Рисунок 4 Конструктивно-расчетная схема клапанно-седельной пары «конус - острая кромка» с компенсацией некруглости отверстия седла в виде эллипсности. 1 - седло; 2 - конический клапан (в двух положениях); - угол перекоса клапана, потребный для обеспечения его посадки на эллипсное седло

Рисунок 5 Зависимость угла перекоса оси клапана от эллипсности отверстия седла

3. Влияние силы поверхностного натяжения жидкости в поверхности по зазору клапана с седлом.

При анализе данного явления в гидравлической запорной арматуре учитывается ряд общеизвестных положений [6]. Так, если молекула находится внутри жидкости и удалена от её поверхности на расстояние, превышающее радиус сферы молекулярного действия, силы притяжения в среднем уравновешиваются. Если же молекула находится в поверхностном слое, толщина которого не превосходит радиуса сферы молекулярного действия, то возникает равнодействующая сила, направленная внутрь жидкости. В результате в поверхностном слое появляются силы притяжения между молекулами, действующая вдоль поверхности жидкости. Эти силы называются силами поверхностного натяжения. Коэффициент поверхностного натяжения численно равен отношению модуля Fсилы поверхностного натяжения, действующей на границу поверхностного слоя длиной l, к этой длине:

С возрастанием температуры уменьшается и обращается в нуль при критической температуре.

Силами взаимодействия молекул жидкости с молекулами твердых тел объясняется явление смачивания и несмачивания. С этим явлением связан подъем жидкости в капиллярах. Высота поднятия смачивающей жидкости в капилляре

, (12)

где - угол смачивания (краевой угол); - плотность жидкости; r - радиус капилляра; g - ускорение свободного падения.

Жидкость, которая не смачиваем стенки капилляра, опускается ниже уровня жидкости в широком сосуде. Для полного смачивания , для полного несмачивания .

При расчётах сил поверхностного натяжения следует учитывать, что они действуют вдоль любого контура, ограничивающего участок поверхности раздела жидкости. При этом сила поверхностного натяжения, приложенная к каждому элементу контура, направлена касательно к поверхности по внутренней нормали к элементу контура.

В процессе решения задач следует обратить внимание на энергетический подход к рассмотрению явления поверхностного натяжения. При этом подходе определяется работой, которую необходимо затратить, чтобы изотермически увеличить поверхность жидкости на единицу при сохранении объема неизменным:

.

При решении задач, в которых рассматривается поверхностное натяжение жидкостей с искривленными поверхностями, вводится понятие о добавочном (положительном или отрицательном) давлении, определяемом формулой

,

где r - радиус кривизны поверхности. Для выпуклой поверхности положительно, для вогнутой - отрицательно. Необходимо обратить внимание учащихся на то, что это изменение давления происходит скачком.

В задачах по расчету высоты поднятия в капилляре, где невозможно воспользоваться формулой (12), следует исходить из условия равновесия столба жидкости.

В практических расчетах влияние силы поверхностного натяжени оценивается через капиллярный напор, величина которого определяется по закону Журена:

(13)

где q - сила поверхностного натяжения жидкости на воздух; - удельный вес жидкости; R-радиус трубки; - угол смачивания; g - ускорение свободного падения.

Согласно [2] величина капиллярного напора , рассчитанная по формуле (13), для жидкости АМГ-10 составляет 0,037 кгс/см² при зазоре между конусом и седлом 0,01 мм, причем при увеличении этого зазора капиллярное давление уменьшается в обратной пропорции к величине зазора. Отсюда следует, что на этапе эскизного проектирования при расчете клапанно-седельных пар величиной капиллярного давления можно пренебречь вследствие его малости.

4. Влияние смятия острой кромки.

Под остройкромкой понимается пересечение двух поверхностей: цилиндрической поверхности отверстия седла и плоскости, перпендикулярной оси отверстия. Острая кромка не притупляется, размеры ее не оговариваются.

Выполненные замеры острой кромки с увеличением от 112 до 1000 раз показали [2], что это фаска или радиус, величина и вид которых определяется чистотой обработки и материалом, и составляет 0,07…0,02 мм.

Обычно седло выполняется более мягким (), а клапан более твердым (). При воздействии давления рабочей среды конус клапана сминает острую кромку. При этом частично выбирается зазор между седлом и конусом клапана.

Из [2] следует:

- у клапана с диаметром для компенсации овальности необходимая величина смятия составит

;

- экспериментально установлено, что смятие на такую величину наступает при давлении рабочей среды, равном 150 Мпа (для материала седла сталь 1Х17Н2, ), причем экспериментально подтверждено, что предварительная опрессовка запорной пары максимальным рабочим давлением уменьшает утечки рабочей среды в 5…8 раз.

5. Влияние метода обработки элементов запорной пары.

В [2] представлены результаты исследования трех методов финишной обработки конусной поверхности клапана и поверхностей,образующих острую кромку седла (материал клапана - сталь 9Х18, ; материал седла - сталь 1Х17Н2, . Испытания проведены на жидкости АМГ-10):

1. Точное точение

2. Шлифование

3. Алмазное выглаживание после чистового точения

Из указанных результатов следует:

- микрообмер изготовленных деталей показал, что рассматриваемые способы обработки не оказывают заметного влияния на погрешность формы и расположения поверхностей, однако детали, изготовленные точением с последующим выглаживанием, имеют меньшее рассеивание размеров, чем шлифованные. Способ обработки оказывает существенное влияние на микрорельеф поверхностного слоя. Анализ профилограмм, снятых с обработанных поверхностей, показывает, что более благоприятный микрорельеф поверхность приобретает после алмазного выглаживания. Это способствует увеличению контактной площади запорной пары, а следовательно, к повышению герметичности, которая создается вследствие смятия кромки седла;

- экспериментально подтверждено, что наибольшая величина негерметичности наблюдается у изделий имеющих шлифованные контактирующие поверхности, а наименьшая - у выглаженных алмазом.

Из обобщения вышеизложенного следует, что уже на этапе проектирования клапанно-седельного пневмогидроагрегата конструктор должен предусмотреть возможность некоторых отклонений в серийном производстве и закладывать в проектируемое изделие некоторые запас надежности с тем расчетом, что и при менее точном изготовлении (технологическом разбеге размеров) изделие должно сохранять работоспособность и герметичность в требуемых пределах. С этой целью нормы герметичности, ресурс, время срабатывания и другие выходные параметры изделия должны закладываться в технических условиях несколько выше требуемых, а в технологическую документацию - несколько выше, чем в технических условиях.

Выводы

1. Охарактеризованы деструктивные факторы, предопределяющие назначение величин зазоров в сопрягаемых элементах герметизируемой клапанно-седельной пары «конус-острая кромка».

2. Освещена взаимосвязь величин зазоров в сопряжениях клапана с корпусом и седлом в клапанно-седельной паре указанного типа с учетом конструктивно-технологических особенностей ее исполнения.

3. Даны расчетно-графическая оценка степени влияния на величину зазора между конусом клапана и острой кромкой неперпендикулярности плоскости седла к оси отверстия седла и некруглости этого отверстия в виде эллипсности и практические рекомендации по назначению величины зазора в сопряжении клапана с корпусом с учетом зазора между конусом клапана и седлом.

неисправность седло клапан пневмогидроарматура

Список литературы

1. Чегодаев, Д.Е. Гидропневмотопливные агрегаты и их надежность: монография [Текст]/Д.Е. Чегодаев, О.П. Мулюкин. - Куйбышев: Кн. изд-во, 1990 - 104 с.

2. Жуковский, А.Е. Основы создания агрегатов автоматики пневмогидравлических систем летательных аппаратов и двигателей. Часть 1. Обеспечение конструкторской надежности и технологичности агрегатов: монография [Текст]/ А.Е. Жуковский, В.М. Квасов, Е.В. Шахматов и др. - Самара: НПО «Импульс», 1993. - 375.

3. Жуковский, А.Е. Основы создания агрегатов автоматики пневмогидравлических систем и летательных аппаратов и двигателей. Часть 2. Обеспечение качества динамических процессов и устойчивости систем с агрегатами управления и регулирования: монография [Текст]/ А.Е. Жуковский, О.П. Мулюкин, Д.Е. Чегодаев и др. - Самара: НПО «Импульс», 1995. - 216 с.

4. Мулюкин, О.П. Оценка влияния деструктивных факторов на показатели эксплуатационной надежности клапанно-седельных пар пневмогидроарматуры [Текст]/ О.П. Мулюкин, О.Ю. Григорьева, М.П. Дудин, М.И. Борзенков// Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - №6 (290). - Орел: Госуниверситет - УНПК, 2011. -С.65-71.

5. Квасов, В.М. Конструирование и оценка технологичности подвижных металлических уплотнений с закоординированным контактом [Текст]/ В.М. Квасов, О.П. Мулюкин, Ю.И. Кондрашов, В.А. Дмитриев// ПТС: Технология авиационного приборо- и агрегатостроения. - Саратов: НИТИ. - №3, 1984. - С. 79-82.

6. Оно С. Молекулярная теория поверхностного натяжения в жидкостях: монография/ С. Оно, С. Кондо Пер. с англ. С.И. Анисимова и Т.Л. Перельмана; ред. И.З. Фишера. - М: Изд-во иностранной литературы - 292 с.

Размещено на Allbest.ru