230 / 397
Механики XXI веку. №16 2017 г.
230
Герметичность уплотнительных соединений обеспечивается нагружением их усилием
(контактными давлениями герметизации) и в значительной мере определяется напряженно-
деформированным состоянием в зоне контакта и зависит от контактного взаимодействия ше-
роховатых поверхностей, которое характеризуется видом контакта, сближением поверхно-
стей, относительной площадью контакта, плотностью зазоров в стыке и слиянием пятен кон-
такта отдельных неровностей.
При определении напряженно-деформированного состояния (НДС) в зоне контакта
вначале определяется ширина зоны контакта и распределение контактного давления. Общие
вопросы определения НДС рассмотрены в работах [15, 20, 21], при начальном контакте зо-
лотника и седла вдоль полосы – в работах [ 23, 24], при начальном контакте вдоль линии – в
работе [25]. Важное влияние на напряженно-деформированное состояние контактирующих
тел оказывает коэффициент трения [26].
Для оценки герметизирующей способности уплотнительного стыка в работах исполь-
зуется безразмерный функционал проницаемости [27 - 29]:
l
i f
u
K
K
C
2
3
14
,
(22)
где
– плотность зазоров в стыке;
– относительная площадь контакта;
i
– доля эф-
фективных микроканалов;
f
K
– коэффициент, учитывающий местные потери (из-за сужения
и расширения микроканалов),
l
K
– коэффициент извилистости.
Параметр
u
C
зависит от параметров микрогеометрии и контактных давлений герме-
тизации. Интенсивность утечки (массовый или объемный расход на единицу длины по пери-
метру) определяется выражениями:
u f
l
CCG
,
u g
l
CCQ
;
(23)
где
l
p R C
f
2
3
max
,
l
p p R
gC
4
2
2
2
1
3
max
.
(24)
Для определения характеристик контакта в шероховатом стыке широко используется
хорошо зарекомендовавшую себя в герметологии дискретную модель шероховатости [5, 15,
20–22], или ее разновидность – фрактально-дискретную [16, 17, 19]. При этом для определе-
ния функции распределения неровностей по высоте следует использовать уравнение всей
опорной кривой профиля, а не только ее начальной части.
В зависимости от свойств материалов и параметров микрогеометрии различают упру-
гий, вязкоупругий, упругопластический и жесткопластический контакты. Вид контакта ше-
роховатых поверхностей определяется критерием пластичности для отдельной контакти-
рующей неровности [30, 31].
Важной характеристикой при определении герметизирующей способности уплотни-
тельного стыка, как следует из выражения (22), является плотность зазоров. При контакте
жесткой шероховатой поверхности с упругим полупространством плотность зазоров опреде-
ляется с учетом деформации полупространства в окрестности каждой контактирующей не-
ровности согласно данным работ: для однородного полупространства с учетом взаимного
влияния неровностей – [32], без учета взаимного влияния – [33]; для упругого слоистого по-
лупространства – [34].
Для герметизации среды с высокими энергетическими параметрами (давлением свы-
ше 40 МПа и температурой свыше 300
о
С) в основном используют металлические материалы
[15]. В большинстве случаев при контактировании металлических шероховатых поверхно-
стей контакт является упругопластическим. В этой связи в последние годы учеными Брат-
ской школы герметологов были рассмотрены вопросы, связанные с внедрением жесткой
сферы в упругопластическое упрочняемое полупространство [35 - 42]. Это составило теоре-
тическую основу для определения контактных характеристик – относительной площади кон-
такта и плотности зазоров в стыке при внедрении жесткой шероховатой поверхности в упру-
гопластическое полупространство [43, 44], что в конечном итоге позволило определить