На правах рукописи

Тарасов Вячеслав Анатольевич

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЗАДАННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

НАДЕЖНОСТИ ЗАТВОРОВ

ЗАПОРНОЙ ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЫ

Специальность: 05.02.02 – Машиноведение, системы приводов и детали машин

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Братск 2009 2

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Братский государственный университет»

на кафедре «Машиноведение и детали машин»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Огар Петр Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук Куршин Анатолий Петрович, ЦАГИ, г. Жуковский кандидат технических наук, доцент Горохов Денис Борисович, БрГУ, г. Братск

Ведущая организация: ОАО «Иркутский научно-исследовательский институт химического машиностроения», г. Иркутск

Защита состоится «24» декабря 2009 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.018.02 при ГОУ ВПО «Братский государственный университет» в ауд. 128a по адресу: 665709, г. Братск, ул. Макаренко, д. 40.

E-mail: [email protected]. Факс: (8-3953) 33-20-08.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Братского государственного университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью составителя, заверенные печатью организации, просим направлять по указанному адресу.

Автореферат разослан «23 » ноября 2009 года.

Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент И.М. Ефремов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Сфера применения запорной трубопроводной арматуры (ТА) очень широка: это авиационная и космическая техника, глубоководные аппараты и морской транспорт, атомная энергетика, химическая и нефтеперерабатывающая промышленность, вакуумная техника, трубопроводный транспорт, гидропневмотопливные системы различных машин, аппаратов и оборудования, коммунальное хозяйство и т.п. Надежность запорной ТА является важнейшей характеристикой машин, аппаратов и оборудования, которая определяет нормальную эксплуатацию, риски аварийных ситуаций, безопасность людей, экологическую обстановку. Многие из перечисленных объектов входят в число важнейших, для которых должны быть решены в начале ХХI века проблемы снижения рисков.

Наиболее важными узлами запорной ТА, обеспечивающими герметичность при перекрытии потока рабочей среды, являются затворы – герметичные соединения, состоящие из золотника и седла, на которые приходится до 50% всех отказов. Для сравнения: на корпусные элементы приходится 10-15%, на пары трения – 10-15% Обеспечение функциональной надежности затворов закладывается на стадии проектирования. Из общего числа отказов, связанных с нарушением герметичности, 2 3 обусловлено конструкторско-технологическими дефектами. При совершенствовании конструкций затворов необходимо прежде всего обеспечение следующих их свойств: герметичность, прочность, долговечность.

Основным свойством в аспекте надежности является герметичность, которая определяется функциональными параметрами уплотнительных поверхностей и контактными давлениями герметизации, обеспечивающими требуемые характеристики – относительную площадь контакта и плотность зазоров. К функциональным параметрам относятся геометрические характеристики шероховатости (по ISO 4281/1 – 1997) и параметры физико-механических свойств материалов. Контактные давления являются основной характеристикой, определяющей габаритно-массовые показатели затворов ТА, их долговечность, энергоемкость привода. В арматуростроении нормы герметичности регламентированы ГОСТ 9544 – 2005, в котором установлены требования к проведению приемо-сдаточных испытаний на герметичность в зависимости от условного прохода DN и класса герметичности. Существует также нормативный документ, связывающий ресурс с величиной контактных давлений (РД 24.207.01однако отсутствуют нормативные документы по определению нагрузок (усилий, контактных давлений, моментов), обеспечивающих указанные нормы герметичности, что может иметь негативные последствия в плане безопасности. Недостаточная нагрузка не обеспечит заданной герметичности, перегрузка приведет к уменьшению ресурса или к разрушению элементов арматуры.

В техническом регламенте «О безопасности трубопроводной арматуры», разработанном в Центральном конструкторском бюро арматуростроения (ЗАО «НПФ «ЦКБА», г. С.-Петербург) указано, что при проектировании арматуры должны быть обеспечены показатели назначения, включающие утечку рабочей среды через затвор. Это означает, что разработчикам арматуры должны быть указаны усилия герметизации (контактные давления), обеспечивающие заданные нормы герметичности затвора.

На наш взгляд в этом случае должны быть разработаны нормативные документы в виде программных средств, определяющих оптимальное сочетание исходных конструктивных параметров и усилия герметизации, обеспечивающих заданные нормы герметичности и ресурс. Современная теория проектирования предполагает генерирование значительного числа вариантов проектируемого узла для поиска лучших технических решений. Применительно к проектированию затворов ТА это возможно при математическом описании процесса герметизации, включающем: напряженно-деформированное состояние в зоне контакта; контактирование шероховатых поверхностей под действием сжимающих напряжений; истечение рабочей среды через уплотнительный стык; влияние особенностей эксплуатации. Решение перечисленных вопросов составит научную основу для оптимального проектирования затворов ТА.

';

Цель работы - повышение надежности затворов запорной трубопроводной арматуры на этапе проектирования путем создания программных средств, определяющих оптимальное сочетание исходных конструктивных параметров и усилий герметизации, обеспечивающих заданные нормы герметичности, прочность и ресурс.

Реализация цели связана с решением следующих задач исследований:

- совершенствование методов определения контактных характеристик, влияющих на герметизирующую способность уплотнительных соединений;

- математическое моделирование утечки рабочей среды через уплотнительный стык;

- определение долговечности (ресурса) затворов по критериям усталостного разрушения и износа;

- определение напряженно-деформированного состояния в области контакта золотника и седла.

-создание методики оптимального проектирования затворов ТА.

Объект исследований – металлические затворы запорной трубопроводной арматуры.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций. Научные положения аргументированы, теоретические результаты работы и выводы подтверждены использованием теории упругости, механики контактного взаимодействия, трибомеханики, газовой динамики, теории вероятности, специальных разделов математического анализа, имитационным моделированием.

Научная новизна заключается в:

- разработке математической модели контактактирования жесткой шероховатой поверхности со слоистым упругим полупространством, учитывающей влияние на контактные характеристики упругих свойств основания и слоя и его толщины;

- построении математической модели утечки рабочей (или испытательной) среды через затвор, описывающей его герметизирующую способность в зависимости от комплексных характеристик контакта шероховатых поверхностей и учитывающей распределение контактного давления и реальные свойства газов;

- разработке методики определения напряженно-деформированного состояния в области контакта золотника и седла с учетом трения, позволяющая определить ширину зоны контакта, распределение контактного давления на площадке контакта и эквивалентные напряжения;

- учете, при определении напряженно-деформированного состояния особенностей контакта, связанных с изменяющимися начальными параметрами:

шириной зоны контакта при начальном контакте вдоль полосы и угла нормали при начальном контакте вдоль линии;

- разработке методики оптимального проектирования затворов ТА с использованием метода исследования пространства параметров с помощью ЛП-последовательностей для при назначенных функциональных ограничениях и критериях качества.

Практическая ценность работы заключается в том, что на базе проведенных исследований создан современный метод проектирования затворов запорной арматуры в виде программных средств, учитывающий напряженнодеформированное состояние в области контакта золотника и седла и контактные характеристики в уплотнительном стыке шероховатых поверхностей, обеспечивающих его герметизирующую способность и ресурс.

По результатам исследований реализованы:

«Методика определения напряженно-деформированного состояния в зоне контакта золотник-седло», внедрена в ОАО «ИркутскНИИхиммаш»;

«Методика расчета герметизирующей способности высоконапряженных уплотнительных соединений», внедрена в ОАО «ИркутскНИИхиммаш»;

Программное обеспечение «ЗАТВОР 01» по оптимальному проектированию затворов трубопроводной арматуры.

Указанные разработки внедрены также в учебный процесс по магистерскому направлению 150400 – Технологические машины и оборудование Апробация работы. Результаты и основные положения доложены и обсуждены на научных конференциях: III и IV международной конференции «Проблемы механики современных машин», г. Улан-Удэ, 2006 и 2009 гг.; международная научно-технической конференции «Современные проблемы механики»

г. Ташкент, 2009г.; на I и II Всероссийских научно-практических конференциях «Безопасность регионов –основа устойчивого развития», г. Иркутск 2007, гг., International conference on «Mechanics development issues»: Ulaanbaatar, Mongolia 2009; на Всероссийских научно-технических конференциях «Естественные и инженерные науки – развитию регионов», г. Братск, 2004 – 2009г.г.

Публикации. По результатам работы опубликовано 18 печатных, работ из которых 10 статей и 8 докладов. В изданиях перечня ВАК опубликовано 3 статьи.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована цель исследований, актуальность рассматриваемых вопросов, дана краткая характеристика работы, ее научная новизна и практическая значимость.

В первой главе приведены сведения о нормативной терминологии, касающейся затворов ТА и её элементов.

Указано, что при проектировании металлических затворов ТА используются следующие основные приемы уменьшения утечки (методы герметизации):

1. Увеличение их гидравлического сопротивления за счет:

а) технологических методов – прецизионной обработкой контактирующих поверхностей с целью уменьшения высотных параметров макро- и микронеровностей;

б) увеличения деформации неровностей путем нагружения контакта сжимающими напряжениями.

2. Заполнение зазоров разделительной средой и воздействия на нее энергетического фактора (гидростатического давления, электромагнитного поля, нагрева или охлаждения и т.п.).

Представлены схемы конструкций затворов и предложена их классификация по следующим признакам: форме контактирующих деталей – золотника и седла; способу герметизации; конструкции и креплению седла; жесткости основных деталей; действию рабочей среды.

Так как затвор является низшим уровнем в иерархической структуре модели ТА, как объекта надежности, то рассмотрено множество требований к ТА, которое включает требования, предъявляемые к затвору. При этом учтены требования безопасности ТА на всех этапах ее жизненного цикла согласно нового технического регламента «О безопасности трубопроводной арматуры». Основным и наиболее общим требованием ко всей ТА является надежность, которая характеризуется следующими свойствами: герметичностью, долговечностью, ремонтопригодностью, сохраняемостью.

Процесс проектирования затвора рассмотрен как определение конструкции на основе выбранного метода герметизации при исходных данных, включающих: условия эксплуатации, требуемые свойства, характеризующие надежность; конструктивные характеристики; экономические и др. показатели.

Для математической постановки задачи оптимального проектирования затворов использованы современные методы, предполагающие многокритериальный подход. Процесс проектирования конструкции затвора, как частный случай разработки многомерной системы, формализирован и представлен в виде последовательности основных этапов: формулирование данных на проектирование; выбор концепции; оптимизация; детализация.

Для выбора оптимальных параметров проектируемой конструкции необходимы математические уравнения или готовые программы, описывающие поведение механической системы и позволяющие для любого заданного набора параметров рассчитывать проектируемую систему и вычислять все критерии качества. При проектировании затворов ТА (или ГС) могут использоваться математические модели, описывающие: напряженно-деформированное состояние в области контакта; контактное взаимодействие шероховатых поверхностей в уплотнительном стыке; утечки рабочей (или испытательной) среды через стык;

динамическое нагружение; изнашивание и разрушение, и др.

Представлена структурная схема диалоговой системы оптимального проектирования конструкций затворов ТА позволяющая: обеспечивать равномерное зондирование многомерного пространства исходных параметров: с помощью математических моделей составить таблицу испытаний; исследовать зависимость критериев, сократить исходную и выбрать наиболее информативную систему критериев, характеризующих проектируемую конструкцию; определить допустимое множество моделей, удовлетворяющих заданным функциональным и критериальным ограничениям; определить паретовское множество моделей; провести диалог «конструктор – ЭВМ» и выбрать оптимальные конструктивные параметры затворов.

Такой подход позволяет получить информацию о путях совершенствования конструкции, при необходимости можно проанализировать ресурсные возможности, а если принципиальная схема выбрана неудачно, то это будет обнаружено.

Во второй главе рассмотрены вопросы, связанные с обеспечением герметичности и долговечности затворов ТА.

Приведены обзор и анализ существующих методов определения герметичности уплотнительных соединений, их классификация и указаны недостатки.

Для создания научно-обоснованной методики определения герметичности затворов выделены и классифицированы все факторы и параметры, влияющие на его герметизирующую способность. Процесс истечения среды через затвор представлен в виде математической модели, состоящей из ряда модулей, которая в дальнейшем используется при оптимальном проектировании конструкции затворов. Блок-схема математической модели определения герметичности затворов представлена на рис.1.

Вначале рассмотрены вопросы определения герметизирующей способности уплотнительного стыка при равномерном распределении контактного давления. Для оценки герметизирующей способности введен безразмерный коэффициент проницаемости Cu, который зависит от параметров микрогеометрии и контактного давления и определяется выражением где i, i - плотность зазоров и относительная площадь контакта, приходящиеся на i-тую неровность; i - доля эффективных микроканалов; n u плотность функции распределения неровностей по высоте; s 1, - относительная высота неровностей; oi u 1 если i u c, oi u 0 если i u c, где c - критическое значение i u.

Параметры макрои микрогеометрии Конструктивные Параметры физико-механических (испытательной)

УТЕЧКА

Рис.1. Блок-схема математической модели определения Погонный массовый расход жидкой рабочей среды Rmax - максимальная высота неровностей; и плотность и вязкость среды;

p - перепад давлений; l - ширина зоны уплотнения.

Множитель C f содержит параметры, являющиеся исходными при проектировании уплотнений. Поэтому требуемый коэффициент проводимости Cu опре- деляется из допустимой величины массового расхода и исходных данных Условие обеспечения заданной герметичности газовая постоянная, имеем Для точного описания реальных газов при p 16 МПа используется уравнение состояния в вириальной форме где Bij - коэффициенты; kp, Tkp - критические значения плотности и температуры. Тогда где 0 - вязкость при атмосферном давлении;

Зависимость I p p при p 300 имеет линейный характер в отличие от идеального газа, для которого указанная зависимость для всех значений p описывается параболой второй степени.

Контакт шероховатой поверхности рассмотрен с учетом взаимного влияния неровностей. Для описания опорной кривой шероховатой поверхности u использовано отношение неполной бета-функции. При этом плотность распределения неровностей определяется выражением:

где, - параметры бета-функции.

Контакт отдельной неровности с полупространством характеризуется выражениями:

распределение контактного давления на площадке контакта радиусом ari контурное давление для отдельной неровности относительная площадь контакта здесь, Rmax aci – параметры микрогеометрии.

Упругий контакт шероховатой поверхности с полупространством описывается выражениями:

где Fq - безразмерный силовой упругогеометрический параметр.

Область применения выражений (1)…(4) ограничена критерием пластичности, определяющего начало пластической деформации.

Рассмотрено контактное взаимодействие жесткой шероховатой поверхности со слоистым упругим полупространством, состоящего из слоя толщиной и упругими характеристиками 1, E1 и основания - 0, E0 Показано, что упругая характеристика слоистого полупространства При контакте жесткой сферы со слоистым полупространством где 1, a1, и p0 - соответственно сближение, радиус площадки контакта и максимальное давление на контакте, определенные для полупространства из материала покрытия.

Для отдельной неровности шероховатой поверхности Для каждой контактирующей неровности:

Полученное выражение (5) совместно с выражениями (1)…(4) составляют систему уравнений, позволяющую определить относительную площадь контакта в зависимости от толщины покрытия.

Плотность зазоров в стыке определяется выражением где 0i и ri – плотности зазоров, приходящиеся соответственно на неконтактирующую и контактирующую неровности, полученные исходя из уравнения сечений неровности и деформированного полупространства.

Используемая дискретная модель шероховатости позволяет определить долю эффективных микроканалов, если представить стык в виде плоской перколяционной модели где * 0,5...0,55 - критическое значение i.

Тогда вероятность того, что через стык будет происходить утечка Выражение (6) используется для перколяционной решетки большой размерности n l S 0, где S0 - размер одной неровности. Для небольших размерностей Определена зависимость коэффициента проницаемости от безразмерного комплексного упругогеометрического силового параметра Fq, которая для разных диапазонов значений Fq представлена в виде - значение Cu при Fq 0, Fq X - функция, характеризующая расгде Cuo пределение контактного давления по ширине зоны уплотнения.

Тогда погонная величина утечки через уплотнительный стык где k r ac Rmax.

Указано, что, наряду с требованиями по герметичности, обеспечение долговечности по критериям усталостного разрушения и износа является характерной для ТА научно-технической проблемой надежности, так как основной причиной отказов (более 95%) различной общепромышленной ТА являются разные виды изнашивания.

В общем случае интенсивность изнашивания I h является функцией многих переменных:

где f - коэффициент трения; HB - твердость по Бринеллю; 0,t y, e0, t n - константы фрикционной усталости; Rmax, r,, b - параметры микрогеометрии.

В случаях, когда потеря герметичности происходит из-за изменения размеров герметизирующих поверхностей затворов, то число циклов нагружения определяющее долговечность где h - допускаемая величина износа, L0 - путь трения при одном нагружении.

Если интенсивность изнашивания представить в виде то контактное давление, обеспечивающее заданный ресурс В диссертационной работе величину ресурса предложено определить по зависимости где qn max - максимальное нормальное контактное давление в стыке; 1 - предел выносливости; коэффициент, учитывающий масштабный фактор; коэффициент, учитывающий способ и качество обработки поверхностей; S N коэффициент надежности; - коэффициент чувствительности к асимметрии цикла нагружения; K - эффективный коэффициент концентрации напряжений.

Третья глава посвящена определению напряженно-деформированного состояния в области контакта золотника и седла, которое сводится к нахождению: ширины зоны контакта при их нагружении осевым усилием N ; распределения по ней контактного давления; эквивалентных напряжений в приповерхностной зоне.

Расчетные схемы металлических затворов плоского и конусного типов показаны на рис.2 а, б соответственно. Предположено, что ширина контакта значительно меньше его среднего радиуса d c 2, что позволяет для определения напряженно-деформированного состояния в зоне контакта использовать решения плоской контактной задачи теории упругости. Для плоского затвора погонное усилие Рис.2. Схемы затворов плоского (а) и конусного (б) типов Для конусных затворов нормальная погонная нагрузка касательная нагрузка Рассматриваемая контактная задача относится к задачам, в которых задаются нормальные перемещения u z x, а нормальные и касательные усилия считаются связанными соотношениями q x qn x. Перемещения u z x определяются известными профилями контактирующих тел.

Для общности рассуждений рассмотрен затвор конусного типа. Уравнения сечений профилей седла и золотника до сжатия имеют вид Разные знаки перед функцией f 2 x указывают на то, что профиль клапана может иметь положительную и отрицательную кривизну. Просветы в сечении золотника и седла в окрестностях зоны касания описываются функцией Функция f x в общем случае представлена в виде Для решения поставленной задачи необходимо, прежде всего, определить ширину зоны контакта l 2 c 2b a и распределение на ней нормального контактного давления. Общее решение контактной задачи для указанных выше граничных условий относительно системы координат, начало которой размещено в центре площадки контакта, имеет вид где 2b – начальная ширина Чтобы решение сохраняло физический смысл в окрестностях точек X 1, введено условие ограниченности давления в указанных точках. Тогда уравнение (10) примет вид Из условий qn 1 0 и qn 1 0 получены выражения из которых определяется ширина площадки контакта и ее смещение относительно начальной оси сечения профиля седла.

С учетом (11) для распределения контактного давления получено Компоненты напряжений в произвольной точке Az, x обусловленные действием контактных давлений qn и q qn, определяются выражениями Эквивалентные напряжения экв определяются согласно гипотезе наибольших касательных напряжений или согласно гипотезе потенциальной энергии формоизменения.

Основными геометрическими параметрами, влияющими на напряженнодеформированное состояние, являются параметры A, A, b,,, определяющие функцию f x и угол конусности.

f x описывает просветы между золотником и седлом, то параметр A или приведенный радиус r, выражаются через соответствующие параметры каждого из контактирующих тел. На рис. 3 приведены схемы контактов в затворах с симметричным распределением контактного давления.

Для схем рис. 3 а, б, в, г начальный контакт происходит по линии т.е.

b 0. Для остальных схем начальный контакт происходит по площадке шириной 2b и 2b0. Кроме того затворы на схемах рис. 3 в, г и рис. 3 ж, з имеют особенности, связанные с изменением начальной геометрии контакта: угла наклона нормали 0 (рис.3 в, г) и начальной ширины зоны контакта b0 (рис. ж, з).

Для конструкций затворов с начальным касанием вдоль полосы для распределения контактного давления получено Значение c следует определять из выражения Для затворов с начальным касанием по линии из (12) и (13) при B 0 получено: для распределения контактного давления для определения ширины зоны контакта здесь знак « » для схемы рис. 3 в, k r r2 r1.

Рис.3 Схемы контактов в затворах с симметричным распределением Для затворов с изменяющимися начальными параметрами при нахождении ширины зоны контакта дополнительно используют следующие выражения:

для схем рис. 3 в, г здесь верхние знаки для схемы (в);

для схем рис. 3 ж, з здесь верхние знаки для схемы (ж).

Проведен анализ напряженно-деформированного состояния для затворов с изменяющимися начальными параметрами.

В четвертой главе приведена методика синтеза затворов с заданными эксплуатационными показателями.

Исходные данные на проектирование включают: номинальный диаметр DN (или средний диаметр зоны уплотнения dc ); требуемую герметичность G1 или Q1 ; вид герметизируемой среды, ее давление p и температуру T ; направление подачи среды – «под клапан»; срок службы N циклов «закрыто - открыто»

и др.

Необходимо определить такое сочетание исходных конструктивных параметров, чтобы основные требуемые свойства – прочность, герметичность и долговечность обеспечивались минимальным погонным усилием герметизации Используя принятые ранее обозначения при формировании пространства исходных параметров, получим Комплекс параметров микрогеометрии для данного вида обработки достаточно представить высотным параметром Rmax Rmax1 Rmax 2 4. Назначая пределы и, следует учитывать, что для затворов, работающих с трением, в процессе приработки устанавливается равновесная шероховатость, которая для затворов арматуры находится, примерно, в пределах Ra 0,16...0,25 мкм. Вид обработки герметизирующих поверхностей и сочетание механических свойств контактирующих тел условно обозначим 5 и соответственно. Важное влияние на напряженное состояние контактирующих оказывает коэффициент трения, однако он не использован в качестве исходного параметра, так как определяется параметрами 4, 5, 6 и может быть определен либо расчетным путем, либо экспериментально.

Равномерное зондирование параметров n (за исключением 5 и 6 ) производится при помощи ЛП-последовательностей. Каждому набору параметров n соответствует определенное напряженно-деформированное состояние. Определяющим параметром, влияющим на напряженно-деформированное состояние, является погонное усилие герметизации ql, однако согласно условию, погонное усилие является одним из критериев качества. Основным функциональным требованием является герметичность, поэтому для каждого набора параметров n погонное усилие ql определяется из условия обеспечения заданной герметичности (17).

Выражения (7), (9), (12), (13), с учетом того, что составляют замкнутую систему уравнений, позволяющую для каждого набора параметров n определить значение ql, обеспечивающее заданную герметичность Ql. Для схемы затворов с изменяющимися начальными параметрами контакта необходимо добавить соответствующие уравнения (14) или (15), (16).

После определения ql следует произвести проверку следующего функционального ограничения - статической прочности. Учитывая, что согласно исходным условиям, закрытие (нагружение) затвора может происходить при отсутствии давления среды, то проверку на статическую прочность следует производить при общей нагрузке где N p 0,25d c p, что соответствует погонной нагрузке Условие статической прочности Следующим функциональным ограничением является условие долговечности. Согласно выражению (8) заданный ресурс N циклов обеспечивается, если Одним из критериев качества является погонное усилие герметизации.

Введение этого критерия вполне оправдано, так как именно этой характеристикой во многом определяется материалоемкость и энергоемкость конструкции, ее габариты. Поэтому а соответствующий нормированный критерий качества Для затворов с близкими значениями ql предпочтение следует отдавать тем, у которых больше запас по долговечности, поэтому следующим критерием качества для точек множества GA 17 является соответствующий нормированный критерий где * - назначенный ресурс.

Предполагая минимальные габариты конструкции затвора, в качестве критерия можно ввести коэффициент запаса прочности n, считая, что чем меньше значение коэффициента запаса прочности, тем меньше габариты конструкции.

Таким образом, Нормированный критерий 3 A можно представить в виде Показано, что в роли критериев качества можно использовать путь трения L0 за один цикл нагружения (чем меньше путь трения, тем лучше конструкция) и затраты Ц на изготовление конструкции.

Далее, при помощи математических моделей производится составление таблиц испытаний. Для точек пространства параметров, удовлетворяющих функциональным ограничениям, рассчитывают критерии качества n A. После составления таблицы испытаний, если заданы критериальные ограничения, проверяется разрешимость задачи и при необходимости уточняются критериальные ограничения. Затем исследуется зависимость критериев и производится выбор оптимальных параметров по нескольким важнейшим критериям.

В конце главы приведены примеры использования разработанной методики при оптимальном проектировании затворов трубопроводной арматуры.

1. Произведен анализ работ и нормативных документов в области проектирования затворов ТА. Указано на отсутствие данных о силовом воздействии на затвор для обеспечения его герметичности при эксплуатации или при приемосдаточных испытаниях.

2. Процесс проектирования конструкции затвора формализован и представлен в виде последовательных этапов: формулирование данных на проектирование, выбор концепции, оптимизация, детализация. При проектировании затворов ТА используются математические модели, описывающие напряженнодеформированное состояние в области контакта золотника и седла, контактное взаимодействие шероховатых поверхностей, утечку среды через уплотнительный стык, изнашивание и разрушение.

3. Разработана оригинальная методика определения контактных характеристик при взаимодействии жесткой шероховатой поверхности со слоистым упругим полупространством, учитывающая переменную, в зависимости от величины площадки контакта отдельной неровности и толщины слоя, упругую характеристику слоистого полупространства.

4. Произведен сравнительный анализ методик определения характеристик контакта шероховатых поверхностей влияющих на герметичность. На примере определения плотности зазоров в стыке показано, что пренебрежение взаимным влиянием неровностей приводит к заниженным, более чем на порядок, значениям.

5. Для оценки герметизирующей способности уплотнительного стыка введен новый интегральный показатель. Ранее аналогичный показатель определялся через средние значения контактных характеристик – плотности зазоров и относительной площади контакта.

6. Разработана методика определения напряженно-деформированного состояния в области контакта золотника и седла с учетом их трения, позволяющая определить ширину зоны контакта, распределение контактного давления на площадке контакта и эквивалентные напряжения в приповерхностном слое.

Показано, что роль трения при определении ширины зоны контакта незначительна. Основное влияние трение оказывает на величину эквивалентных напряжений.

7. Исследовано влияние на напряженно-деформированное состояние особенностей контакта золотника и седла, связанные с изменяющимися начальными параметрами: шириной зоны контакта при начальном контакте вдоль полосы и угла нормали при начальном контакте вдоль линии. Показано, что влияние первого фактора незначительно. Изменение угла нормали при значениях близких к углу трения может привести к увеличению эквивалентных напряжений на 15...25%.

8. Разработана методика расчета величины погонных контактных давлений, обеспечивающих заданные нормы герметичности (допускаемую утечку через затвор) при эксплуатации или при приемо-сдаточных испытаниях. При этом учтено распределение контактного давления по ширине зоны уплотнения.

Показано, что применение модели реального газа при p 30 МПа приводит к линейной зависимости утечки от величины давления, в отличии применения модели идеального газа, которая имеет квадратичную зависимость.

9. Разработана методика оптимального проектирования затворов трубопроводной арматуры позволяющая обеспечить равномерное зондирование пространства исходных параметров с помощью ЛП-последовательностей, составить таблицу испытаний, исследовать зависимость критериев, выбрать наиболее информативную систему критериев, характеризующую затвор, определить множество конструкций, удовлетворяющих функциональным и критериальным ограничениям, определить паретовское множество и выбрать оптимальные конструктивные параметры затворов.

Показано, что для разных сочетаний исходных параметров, величина погонного усилия, необходимого для обеспечения заданных норм герметичности, может изменяться в пределах одного порядка.

10. По результатам исследований реализованы: «Методика определения напряженно-деформированного состояния в зоне контакта золотник-седло»

«Методика расчета герметизирующей способности высоконапряженных уплотнительных соединений», программное обеспечение «ЗАТВОР 01» по оптимальному проектированию затворов трубопроводной арматуры, которые внедрены в ОАО «Иркутск НИИхиммаш».

Указанные разработки внедрены также в учебный процесс БрГУ по магистерскому направлению 150400 – Технологические машины и оборудование при выполнении курсовой работы по дисциплине «Механика контактирования деталей машин».

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

- в изданиях из перечня ВАК:

1. Тарасов, В.А. Многокритериальный подход к проектированию затворов трубопроводной арматуры / С.В. Белокобыльский, П.М. Огар, В.А. Тарасов.// Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. ИрГУПС. – 2007, №3(15). –С. 6- 2. Тарасов, В.А. Относительная площадь контакта при взаимодействии шероховатой поверхности с упругим слоистым полупространством / П.М. Огар, О.В. Максимова, В.А.Тарасов // Современные технологии. Системный анализ.

Моделирование. ИрГУПС. – 2008, №3(19). –С. 49-51.

3. Тарасов, В.А. Герметизирующая способность тяжелонагруженных уплотнительных стыков / П.М. Огар, В.А. Тарасов, А.В. Турченко// Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. ИрГУПС. – 2009, №3(23). –С.

136-142.

- в других изданиях:

4. Тарасов, В.А. Контакт деталей машин с начальным касанием вдоль полосы / П.М. Огар, В.В. Амиров, В.А. Тарасов// Труды БрГУ – Том 2. – Братск:

БрГУ, 2004. – С.164-170.

5. Тарасов, В.А. Проектирование затворов трубопроводной арматуры./ П.М. Огар, А.Н. Черемных, В.А. Тарасов// Труды БрГУ – Том 2. – Братск:

БрГУ, 2006. –С.307-316.

6. Тарасов, В.А. Механика контакта деталей машин с начальным касанием вдоль полосы./ П.М. Огар, Т.С. Балбасова, В.А. Тарасов// Проблемы механики современных машин: М-лы III межд. конф./ ВСГТУ. – Улан-Удэ,2006. – Т.2. – C.106-109.

7. Тарасов, В.А. Влияние толщины покрытия на упругую характеристику слоистого упругого полупространства./ П.М. Огар, Е.А. Ключев, О.В. Максимова, В.А. Тарасов// Механики ХХI веку. – Братск: БрГУ, 2007.–С.321-327.

8. Тарасов, В.А. Особенности контакта конусных затворов с начальным касанием вдоль полосы./. С.В. Белокобыльский, П.М. Огар, В.А. Тарасов// Труды БрГУ.Т.2.-Братск: БрГУ.-2007.С.121-125.

9. Тарасов В.А Контакт конусных затворов с начальным контактом по линии/ С.В. Белокобыльский, П.М. Огар, В.А. Тарасов// Труды БрГУ-Т. 2. – Братск: БрГУ.-2007.-C.125-129.

10. Тарасов, В.А. Обеспечение безопасности уплотнительных соединений при проектировании./ О.П. Мартыненко, В.А. Тарасов, Т.С. Балбасова// Труды БрГУ. Юбилейный выпуск. – Братск, БрГУ.-2007.– С.34 -39.

11. Тарасов, В.А. Обеспечение герметичности уплотнительных соединений – важное условие снижения рисков техногенных аварий и катастроф./ П.М.

Огар, А.М. Долотов, В.К. Погодин, В.А. Тарасов// Безопасность регионов – основа устойчивого развития: М-лы научно-практ. конф., В 3 т., Т. 2 Иркутск:

Изд-во ИрГУПС, 2007. -С.50- 12. Тарасов, В.А. Контакт шероховатой поверхности с упругим слоистым полупространством. / П.М. Огар, О.В. Максимова, В.А. Тарасов//Mechanics development issues. International conference: Collection of papers. – Ulaanbaatar, Mongolia 2009.-C.246-249.

13. Тарасов, В.А. Относительная площадь контакта сопряжений деталей машин с покрытиями/ П.М. Огар, О.В. Максимова, В.А. Тарасов, Р.Р. Баезов // Современные проблемы механики. Сб. межд. науч-техн. конф., Ташкент, 2009, С. 217-220.

14. Тарасов, В.А. Влияние толщины покрытия на относительную площадь контакта сопряжений деталей машин/ П.М. Огар, О.В. Максимова, В.А. Тарасов//Системы. Методы. Технологии. БрГУ. – 2009, №2. С. 13-15.

15. Тарасов, В.А. Оптимальное проектирование затворов трубопроводной арматуры./ П.М. Огар, В.А. Тарасов// Проблемы механики современных машин:

М-лы IV межд. конф./ ВСГТУ. – Улан-Удэ,2009. – Т.4.

16. Тарасов, В.А. Взаимодействие шероховатой поверхности с упругим слоистым полупространством./ П.М. Огар, О.В. Максимова, В.А. Тарасов// Проблемы механики современных машин: М-лы IV межд. конф./ ВСГТУ. – Улан-Удэ, 2009. – Т.4.

17. Тарасов, В.А. Относительная площадь контакта сопряжений деталей машин со слоистыми покрытиями./ П.М. Огар, О.В. Максимова, В.А. Тарасов// Безопасность регионов – основа устойчивого развития: М-лы науч.-практ.

конф. В 2 т. Т. 2 Иркутск: Изд-во ИрГУПС, 2009. С. 118-122.

18. Тарасов В.А. Трибомеханика высоконапряженных трибосопряжений деталей машин./ Белокобыльский С.В. Огар П.М., Дайнеко А.А., Тарасов В.А.// Безопасность регионов – основа устойчивого развития: М-лы науч.-практ.

конф. В 2 т. Т. 2 Иркутск: Изд-во ИрГУПС, 2009. С. 38-45.

Подписано в печать 23.11.2009. Формат 60х84 1/ Печать ризо Уч.- изд. л. 1,4 Тираж 100 экз. Заказ.

Отпечатано в издательстве БрГУ 665, Братск, ул. Макаренко,