Systems. Methods. Technologies 3 (43) 2019

Системы Методы Технологии. С.П. Ереско и др. Планирование экспериментальных … 2019 № 3 (43) с. 7-13 11 Рис. 4. Схема имитатора для испытания уплотнений ТНА При вращении вала 1 осуществляется подвод рабо- чей жидкости в область, где расположено контактное уплотнение 2 , а утечки рабочей жидкости замеряются в камере отвода рабочей жидкости. Вал закреплен на подшипниках 3 , которые запрессованы в корпус 4 . К нему приварен штуцер 5 , на корпус установлена крыш- ка 6 , которая прижимает подшипники 3 . Между ними установлена втулка 7 , а штуцер 8 , с помощью которого осуществляется подвод рабочей жидкости, прижимает- ся к корпусу 4 с помощью винтов 9 . В качестве насосной станции использовался стенд для испытания карданных передач [4–6] с максималь- ным коэффициентом полезного действия карданной пе- редачи [7]. Расчет привода стенда приведен в работе [8], расчет гидравлической системы — в работе [9], динами- ческие параметры стенда содержатся в работе [10]. Выбор методов и критериев оптимизации конструк- тивных решений уплотнителей вращающихся валов за- висит от принципиальной схемы и применяемого типа уплотнений. Задача расчета уплотнительных устройств и выбор их проектных параметров заключаются в нахо- ждении эмпирических зависимостей между величиной зазора, соответствующего минимуму потерь мощности, и величиной утечки, которая, в свою очередь, не должна превышать допустимых величин [11]. Однако в расчетах не учитывается упругость стенок уплотняемого узла, и кроме того, давая рекомендации по выбору конструк- торских параметров бесконтактных уплотнительных устройств, автор замечает, что при скорости в зоне кон- такта более 1 м/с бесконтактное уплотнение обладает наибольшим КПД и наивысшей герметичностью, но не дает рекомендаций по снижению утечек в бесконтакт- ном уплотнении при малых скоростях поверхности, а также при остановке узла. В работе [1] приведена методика расчета параметров тонкостенного упругого уплотнительного элемента, ис- пользующая дифференциальные уравнения, моделирую- щие взаимодействие упругой металлической стенки уп- лотнения с потоком движущейся в зазоре рабочей жидко- сти. В работе учитывается деформация стенок уплотняе- мого зазора, но принятые допущения о несжимаемой сре- де, постоянной вязкости и температуры уплотнительного узла во время работы делают расчеты очень приближен- ными для прогнозирования выходных параметров уплот- нений на этапе проектирования. Резиновые манжетные уплотнители получили наи- большее применение в конструкциях уплотнений под- вижных сопряжений в силу своей эластичности, способ- ствующей в процессе работы подвижного сопряжения отслеживанию неровностей уплотняемой поверхности. Ввиду определенной сложности расчета контактных напряжений для несимметричной формы манжетных уплотнителей в основном применяются эксперимен- тальные методы [12; 27; 36], результаты которых зачас- тую необходимо уточнять в ходе новых испытаний при изменении формы или технологии изготовления мате- риалов манжет. Теоретическое нахождение напряжений в манжет- ных уплотнениях производится следующими способа- ми. Рабочий участок манжеты моделируется как стати- чески неопределенная балка для заданных граничных условий, так расчет сводится к задаче плоской дефор- мации, решаемой с помощью теории упругости. Также манжеты моделируются осесимметричными цилиндри- ческими или коническими оболочками [13–19]. Свой- ства материалов при этом описываются с помощью механических моделей Максвелла, Кельвина – Фойгта, Бюргеса, Оствальда – де Ваэля и др., использование которых сопряжено со значительными погрешностями при моделировании реальных конструкций. Основы расчета и выбора проектных параметров базируются на экспериментально и теоретически обос- нованных эффектах [17; 18; 20–22; 25; 28–31]. Повы- шение контактного напряжения в зоне вызывает сни- жение утечек рабочей жидкости, но приводит к повы- шению силы трения и контактной температуры. Использование критериев оптимизации значительно упрощает задачу расчета и выбора оптимальных про- ектных параметров уплотнительных устройств и обес- печивает точность такого выбора. Перечисленные критерии оптимизации имеют так- же косвенную связь с показателями надежности уплот- нительного узла, такими как степень герметичности и ресурс. Степень герметичности оценивается расходом утечки, а ресурс — износом, который в большей степе- ни зависит от температурного режима уплотнителя. Перечисленные критерии оптимизации не учиты- вают влияние температуры, которая для разных конст- рукций уплотнительных устройств из-за различных режимов теплоотвода может не коррелировать с мощ- ностью трения. Авторы работ [23; 37–41] для выбора параметров уплотнительных узлов предлагают использовать в ка- честве критерия оптимизации произведение расхода утечки на интенсивность тепловыделения от трения. Анализируя результаты работы над проблемой, можно сформулировать ряд предложений по дальней- шему поиску решения вопросов, возникающих при проектировании и отработке уплотнений ТНА: 1. Необходимо продолжать поиск материалов пар трения, которые могли бы удовлетворять ряду проти- воречивых требований, таких как высокая теплопро- водность и эластичность, низкий коэффициент трения и хорошая прирабатываемость. Одним из перспектив- ных материалов является графен — тонкая углеродная высокоорганизованная пленка толщиной в один атом. Она обладает рекордным коэффициентом теплопро- водности при эластичности, достаточной для работы в качестве упругого и уплотняющего элемента. 2. Актуальными также являются поиски альтернатив- ных конструкторских решений. В частности, видится пер- спективным дополнение уплотняющих систем элемента- ми теплоотвода с помощью принудительной циркуляции рабочего тела и применение «тепловых трубок», установ- ленных в непосредственной близости к зоне трения.