РД 26.260.011-99

РУКОВОДЯЩИЙ ДОКУМЕНТ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

РАСЧЕТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ НОРМ ГЕРМЕТИЧНОСТИ
СОСУДОВ И АППАРАТОВ

ЛИСТ УТВЕРЖДЕНИЯ

РД 26.260.011-99

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

РАСЧЕТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ НОРМ ГЕРМЕТИЧНОСТИ СОСУДОВ И АППАРАТОВ

Генеральный директор ОАО «ВНИИПТхимнефтеаппаратуры» ________________________	В.А. Панов
Заведующий отделом Стандартизации ______________________________________	В.Н. Заруцкий
Заведующий отделом № 29 _____________________________	С.Я. Лучин
Заведующий лабораторией № 56 ________________________	Л.В. Овчаренко
Руководитель разработки, старший научный сотрудник ___________________________	В.П. Новиков
Инженер-технолог II кат. ______________________________	Н.К. Ламина
Инженер по стандартизации I кат. ______________________	З.А. Лукина
СОГЛАСОВАНО
Заместитель генерального директора по научно-производственной деятельности ОАО «НИИХИММАШ» ____________________________	В.В. Раков

Предисловие

1. РАЗРАБОТАН ОАО «Волгоградский научно-исследовательский и проектный институт технологии химического и нефтяного аппаратостроения» (ОАО «ВНИИПТхимнефтеаппаратуры»).

2. УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Техническим комитетом № 260 «Оборудование химическое и нефтегазоперерабатывающее» Листом Утверждения от 24 июня 1999 г.

3. ВЗАМЕН «Методики расчетного определения норм герметичности сосудов и аппаратов».

4. ПЕРЕИЗДАНИЕ 2000 г. июль с ИЗМЕНЕНИЕМ № 1, утвержденным Листом Утверждения от 27 июня 2000 г.

РУКОВОДЯЩИЙ ДОКУМЕНТ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ РАСЧЕТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ НОРМ ГЕРМЕТИЧНОСТИ СОСУДОВ И АППАРАТОВ

Дата введения 1999-07-01

1. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

Настоящий руководящий документ предназначен для установления норм при проектировании и испытаниях на герметичность сосудов и аппаратов, изготавливаемых по ОСТ 26-291 и может быть использован для любого другого оборудования, подконтрольного Госгортехнадзору России, при условии соблюдения требований ПБ 03-108 , ПБ 09-170 , ПБ 10-115 , СНиП 3.05.05 .

2. НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ

В настоящем руководящем документе использованы ссылки на следующие стандарты, правила и другие источники:

Одним из основных показателей, определяющих класс опасности вещества по ГОСТ 12.1.007 является его предельно допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны, определяемая по ГОСТ 12.1.005 .

3.2. При нормальной работе оборудования и вентиляции содержание вредных веществ в воздухе рабочей зоны должно быть меньше или равно предельно допустимой концентрации этих веществ по ГОСТ 12.1.005 .

При установке технологического оборудования на открытой площадке, что характерно для большинства нефтегазоперерабатывающих предприятий, вентиляция рабочей зоны зависит от атмосферных условий на территории предприятия и физических свойств выделяющегося вредного вещества.

3.3. Норма герметичности сосуда, аппарата в соответствии с ГОСТ 26790 определяется как наибольший суммарный расход вещества через течи, обеспечивающий работоспособное состояние сосуда, аппарата и установленный нормативно-технической документацией на данный сосуд, аппарат.

Норма герметичности измеряется в единицах газового потока:

3.4. При пневмоиспытаниях сосудов, аппаратов и трубопроводов методом падения давления определяется коэффициент негерметичности:

ПДКпр - предельно допустимая концентрация вредного вещества в приточном воздухе, мг/м 3 (не должна превышать 0,3ПДКрз).

4.2. При введении значений из формулы () в формулу () получим формулу для расчета нормы герметичности сосуда, аппарата, установленного в помещении:

Vp з - объем рабочей зоны, м 3 (в соответствии с ГОСТ 12.1.005 высота 2 м, площадь по СН 245 не менее 4,5 м 2 , следовательно объем составляет не менее 9 м 3 , при отсутствии более точных данных).

4.4. С учетом формулы () формула () приобретает следующий вид:

При отсутствии данных о классе герметичности разъемных соединений рекомендуется использовать данные приложения настоящего руководящего документа.

Таблица А.1 - Значения предельно допустимой концентрации вредного вещества в воздухе рабочей зоны в зависимости от класса опасности этого вещества по ГОСТ 12.1.007

В миллиграммах на метр кубический

Класс опасности вредного вещества по ГОСТ 12.1.007	Предельно допустимая концентрация вредного вещества (ПДК) в воздухе рабочей зоны
	менее 0,1
	0,1 - 1,0
	1,1 - 10,0
	более 10
Примечание - Нижней границей класса опасности 1 для расчета нормы герметичности сосуда, аппарата допускается принимать значение 0,01 мг/м 3

Приложение Б

Таблица Б.1 - Значения кратности воздухообмена для производственных помещений

Наименование исходных продуктов, применяемых в производстве или помещении	Кратность воздухообмена, ч -1							Коэффици ент увеличения для горячих продуктов
	при отсутствии сернистых соединений			при наличии сернистых соединений			Склады
	компрессорные	насосные	производствен ные	компрессорные	насосные	производствен ные
Аммиак
Производство ацетальдегида с ртутным катализатором
Бутан, водород, метан, пропан, бутилен, пентан, паральдегид, пропилен, этан, этилбензол, этилен, крекинг-газ, сырая нефть и др. вещества с ПДКрз более 50 мг/м 3
Селективные растворители, эфир, этилированный бензин, дивинилацетат, дихлорстирол, хлористый винил, хлористый метилен и др. вещества с ПДКрз 5 - 50 мг/м 3 включительно
Бром и др. вещества с ПДКрз 0,5 - 5,0 мг/м 3
Хлор, ацетилен и др. вещества с ПДКрз 0,5 мг/м 3 и менее
Азотная, фосфорная и др. кислоты с ПДКрз 10 мг/м 3 и менее
Естественный нефтяной газ
Бензин
Лигроин, моторное топливо, мазут, крекинг-остаток, битум (товарные)
Этиленовая жидкость								при ток душированием рабочих мест
								вы тяжка
Смазочные масла, парафин (при отсутствии растворителей)
Растворы щелочные
Примечания 1. Пользоваться настоящей таблицей следует при отсутствии данных о количестве выделяющегося вредного вещества от оборудования, арматуры, коммуникаций и т.п. 2. Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны (ПДКрз) необходимо принимать по перечню, утвержденному Минздравом и приведенному в санитарных нормах и в ГОСТ 12.1.005 . 3. Указанные кратности воздухообмена учитывают возможность содержания вредных веществ в приточном воздухе не более 0,3 ПДКрз. 4. Сернистыми считаются нефтепродукты и газы с содержанием серы 1 % и более по массе. 5. При температурах нефти, нефтепродуктов и газов выше 60 °C указанные в таблице кратности воздухообмена следует повышать на коэффициенты, приведенные в последней графе. 6. Данные настоящей таблицы полностью соответствуют данным таблицы из Инструкции по проектированию отопления и вентиляции нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий ВСН 21-77 .

Приложение В

Таблица В.1 - Классы негерметичности уплотнений и соответствующие им удельные утечки *

Класс	Удельная утечка			Критерий качественной (визуальной) оценки	Характерные типы уплотнений
	Q , мм 3 /(м · с)	V , см 2 /м 2	Qs , мм 3 /(м · с)
0 - 0	До 10 -5		До 10 -5	Абсолютная герметичность	Металлические сильфоны, мембраны полимерные
	Св. 10 -5		Св. 10 -5
0 - 1	До 10 -4		До 10 -3
1 - 1	" 10 -4		" 10 -3	Слабый запах, визуально невидимое отпотевание	Мембраны резиновые, рукава УН эластомерные
	" 5 · 10 -4		" 5 · 10 -3
1 - 2	" 5 · 10 -4	До 10 -3	" 5 · 10 -3
	" 5 · 10 -3		" 5 · 10 -2
2 - 1	" 5 · 10 -3	Св. 10 -3	" 5 · 10 -2	Подтекание без каплеобраэования	УН в тяжелых режимах, эластомерные УПС и УВ
	" 5 · 10 -2	до 10 -2	" 5 · 10 -1
2 - 2	" 5 · 10 -2	" 10 -2
	" 5 · 10 -1 -	Капельные утечки	УВ торцевые, УПС и УВ набивные, щелевые компенсированные
4 - 2	" 50 - 5 · 10 2			Частые капли
	" 5 · 10 2			Непрерывные утечки	УПС, УВ бесконтактные
	" 10 3
	" 10 3
Примечание - Для газовых сред вместо Q критерием является удельная утечка Б -14. Всс = 0,1В = 1,36 · 10 -5 , м 3 · Па/с, что также соответствует пятому классу герметичности по ОСТ 26-11 -14. 2. Исходные данные Сосуд предназначен для смеси природных углеводородов с содержанием сероводорода до 25 % (Мр = 16,4) при давлении Рр = 2,5 МПа и температуре 100 °C (373 К) и имеет объем 10 м 3 ; ПДКрз - 3 мг/м 3 , Кг = 1. При установке на открытой площадке норма герметичности сосуда по формуле (): Это соответствует пятому классу герметичности по ОСТ 26-11 -14. Норма герметичности сварных соединений сосуда: Всс = 0,1В = 2,0 · 10 -6 , м 3 · Па/с, что также соответствует пятому классу герметичности по ОСТ 26-11 -14.

При конструировании герметичных изделий возникают две задачи: расчет усилия обжатия, обеспечивающего герметичность соединения, например корпуса и крышки (с прокладкой между ними), и расчет утечки газа через соединение.

Расчет усилия обжатия

Отсутствие обоснованных математических моделей разгерметизации объемных соединений не позволяет точно определить давление обжатия с учетом свойств среды, материала прокладок и характеристики микрогеометрни их поверхности. Поэтому получили распространение эмпирические формулы для определения давления обжатия. Они справедливы только в том диапазоне изменения параметров, в котором ставились эксперименты.

Зная необходимое усилив обжатия можно определить усилие затяжки соединения, например винтами, стягивающими уплотнительную прокладку между крышкой и корпусом.

Расчет утечки

При расчете утечки (скорости натекания) через уплотнение используются две модели. Одна из них - утечка через круглые капилляры, другая - ламинарное течение через плоскую щель (формула Пуазейля). Расчеты, сделанные по этим моделям, расходятся с практикой, т.к. последние не учитывают такие факторы, как контактное давление, характеристики микрогеометрии поверхности, а также физико-механические свойства материалов уплотняемых деталей и т.д. Между тем не все факторы в одинаковой степени влияют на утечку, поэтому многие авторы для каждого случая обрабатывали результаты эксперимента и получали эмпирические формулы, расчеты по которым дают хорошую сходимость с практическими данными.

Средняя статистическая высота щели и контактное давление Р к , обеспечивающее нормальнее уплотнение прокладки, связаны соотношением

где R - параметр, характеризующий способность материала к уплотнению микронеровностей поверхности. Утечка через уплотнение из эластомера равна.

Проводимость (утечка на единицу перепада давления и периметра уплотняемой поверхности В)

Здесь С 0 - проводимость при отсутствии внедрения прокладки в микронеровности уплотняемой поверхности.

Формулы 1-3 справедливы для газов, не создающих облитерацию, которая уменьшает утечку за счет заращивания щели.

Утечка газа через зазор между уплотнительной прокладкой и фланцами для лучших эластомеров колеблется в пределах 8·10 -6 ... 4·10 -11 Па·см 3 /с (8·10 _6 ... 4·10 -11 атм см 3 /с) на 1 см длины прокладки и зависит от ее материала и температуры,

Массовый расход газа через неплотности стыка герметичного соединения(4)

где Р и - .давление газе в изделии,

Р 0 - давление окружающей среды;

R - газовая постоянная,

h 0 - средняя высота щели при отсутствии контактного давления на стыке;

К 0 - постоянная Козени, зависящая от формы поперечного сечения щели (для круглой щели Ко =2);

t - коэффициент извилистости ();

- вязкость уплотняемой среды (газа);

Т- абсолютная температура;

Соответственно наружный и внутренний радиусы уплотнительных поверхностей;

(t=1,2) - наибольшая высота неровностей профиля уплотнительных поверхностей;

Sm - средний шаг неровностей профиля (ГОСТ 2789-73);

Ra - среднее арифметическое отклонение профиля;

Коэффициент пропорциональности;

Коэффициент, характеризующий физико-механические свойства материала уплотнительных поверхностей;

М i - коэффициент Пуассона материала,

Е i - модуль упругости материала;

r - средний радиус закругления вершин микронеровностей$

в 1 - суммарные параметры опорных кривых контактирующих поверхностей;

Параметр опорных кривых,

- гамма-функция.

Требование высокой степени герметичности микросборок, например, корпусов полупроводниковых приборов и ИС неразрывно связано с обеспечением их надежности и долговечности.

В результате негерметичности внутрь корпуса может попасть влага, коррозионно-активные вещества, а также посторонние частицы, которые вызовут повреждения отдельных элементов микросборки или короткое замыкание.

Герметичность корпусов микросборок очень высокая и массовый расход может достичь величины 10 -8 ...10 -9 см 3 /с. Укажем для сравнения, что через отверстие диаметром 10 мкм расход газа составляет 5·10 -9 см 3 /с. При уменьшении диаметра отверстия до 0,1 мкм расход газа снижается на четыре порядка и составляет 5·10 -13 см 3 /с. Эго вызывает большие трудности в выборе методов и средств для проверки герметичности микросборок, особенно в массовом производстве. Из существующих методов контроля распространение получил газовый (при помощи гелиевого течеискателя).

Как показала практика, утечка корпусов микросборок зависит не только от давления индикаторного газа, которым производят испытание, времени продолжения этого давления, интервала времени после снятия давления, но и от величины внутреннего (свободного) объема испытуемого на герметичность корпуса.

Для точной оценки утечки гелия по результатам измерений

где R - измеренная утечка, атм·см 3 /с;

L - эквивалентная стандартная утечка, атм·см 3 /с;

- молекулярный вес соответственно воздуха и индикаторного газа;

t 1 - время пребывания под давлением;

t 2 - время выдержки перед измерением после снятия давления;

U - объем корпуса, см 3 .

В.Т. Барченко, М.Л. Виноградов

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" (СПбГЭТУ), ул. Профессора Попова, 5, Санкт-Петербург, 197376, Россия, , Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

В данной статье приводится методика определения нормы герметичности для вакууммируемого изделия и расчета временной зависимости изменения давления в устройстве при наличии течи. Представлено соотношение потоков течи по гелию и герметичности для различных типов проникающих веществ. Показаны новинки проборов для организации контроля герметичности на предприятиях.

Портативный гелиевый течеискатель обеспечивает достоверную регистрацию потока гелия вплоть до 1 . 10 -7 Па. м 3 /с (7,6 . 10 -4 л. мкм рт. ст./с).

Как и крупногабаритные стационарные течеискатели, переносной течеискатель имеет функцию обнуления фона, которая служит для привязки концентрации гелия в помещении к нулю, и позволяет проводить контроль герметичности независимо от постоянного уровня гелия вблизи объекта.

Рассмотрим график статистического распределения течей, выявляемых при работе с гелиевыми течеискателями . На график, приведенный на рисунке 2, наложены диапазоны чувствительности портативного течеискателя в профессиональном и стандартном исполнениях.

Рисунок 2. Статистическое распределение количества обнаруживаемых течей различных потоков

Анализ данного статистического распределения позволяет сделать вывод, что в диапазон чувствительности портативного гелиевого течеискателя попадает абсолютное большинство реальных сквозных течей, которые необходимо обнаруживать при контроле герметичности.

Течи потоком 10 -9 мм рт.ст. . л/с и менее обусловлены, прежде всего:

o проницаемостью вакуумных уплотнений,

o газовой диффузией и проводимостью через материалы изделий (например, через полимеры),

o десорбцией и испарением с внутренних стенок изделия.

Натекания, обусловленные перечисленными причинами, следует предотвращать на этапе разработки конструкции и выбора материалов изделий, а также путем проведения подготовки изделия к испытаниям по методикам, описанным в . При дальнейших испытаниях на герметичность, течи потоком 7,5 . 10 -7 мм рт. ст. . л/с и более могут быть обнаружены с помощью портативного гелиевого течеискателя.

Манометрический течеискатель для интегрального контроля герметичности

Манометрический течеискатель – автоматический течеискатель для контроля герметичности изделий, обеспечивающий измерение общего натекания до 10 -4 Па. м 3 /с и выше.

Течеискатель снабжен двумя типами датчиков: давления и потока газа. Вакуумная система течеискателя построена таким образом, что возможно реализовать манометрический, вакуумметрический методы контроля герметичности, а также течеискание по измерению расхода газа.

Рисунок 3. Течеискатели: а – портативный гелиевый, б – манометрический

Принципы обнаружения течи, реализованные в данном приборе, делятся на два типа.

1) Течеискание по росту или падению давления. Манометрический и вакуумметрический методы применяются для определения суммарной утечки. Манометрический метод подходит для замкнутых конструкций, в которых можно создать давление выше атмосферного. Вакуумметрический – для замкнутых конструкций, в которых можно создать вакуум.

Принцип расчета потока течи основан на контроле скорости изменения давления в объекте контроля. В приборе установлен эталонный герметичный объем, отделенный от измеряемого объекта чувствительной к перепаду давления мембраной. Способ течеискания по измерению дифференциального давления заключается в том, что и объект, и эталонный объем откачиваются или заполняются газом до одинакового давления.

При наличии течи в испытуемом объекте, баланс давлений нарушается и мембрана, разделяющая объемы, деформируется. По изменению емкости конденсатора, одной обкладкой которого служит указанная мембрана, производится насчет величины течи в испытуемом объекте.

2) Течеискание по измерению расхода газа.Прибор измеряет количество воздуха, который проникает в объект в случае наличия течи. Испытания проводятся с помощью датчика расхода газа. Прибор калибруется с помощью контрольной течи, устанавливаемой специальный порт течеискателя, и внешнего измерителя расхода газа.

Литература

1. Локтев И.И. / Контроль крупных и мелких течей в тепловыделяющих элементах // Вакуумная техника и технология, том 10, №3, 2000

2. The US Particle Accelerator School Vacuum Fundamentals, Lou Bertolini, Lawrence Livermore National Laboratory, January 19, 2004

3. ОСТ 5.0170-81. Контроль неразрушающий. Металлические конструкции. Газовые и жидкостные методы контроля герметичности.

4. ПНАЭ Г-7-019-89. Унифицированная методика контроля основных материалов (полуфабрикатов), сварных соединений и наплавки оборудования, и трубопроводов АЭУ. Контроль герметичности. Газовые и жидкостные методы.

УДК 517.958:532.5 , 621 :007

ПРОГРАММНЫЙ МОДУЛЬ ДЛЯ РАСЧЕТА ГЕРМЕТИЧНОСТИ

ТОРЦЕВЫХ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ УПЛОТНЕНИЙ НА ОСНОВЕ

КОНЕЧНОЭЛЕМЕНТНОЙ МОДЕЛИ

Представлена математическая модель течения жидкой среды в торцевых осесимметричных уплотнениях, учитывающая как волнистость, так и шероховатость рабочих поверхностей. Предложен программный модуль для расчета утечек рабочей среды на основе конечноэлементного моделирования. Приведены результаты модельных экспериментов, показывающие адекватность применения данной схемы для расчета герметичности соединений.

Ключевые слова: торцевые осесимметричные уплотнения; расчет герметичности; программный модуль; конечноэлементная модель.

Одной из важнейших проблем при проектировании элементов новой техники в машиностроении, станкостроении, энергомашиностроении, в авиационной и аэрокосмической промышленности является проблема изоляции рабочих сред и обеспечения заданной степени герметичности различных аппаратов, сосудов, соединений трубопроводной арматуры и т. п. Для решения данной проблемы используют большое разнообразие уплотнительных устройств, как правило, конструктивно простых, но играющих зачастую определяющую роль в обеспечении надежности изделия в целом. Одним из характерных видов уплотнительных устройств, сочетающих в себе многие наиболее общие свойства и рабочие характеристики, являются металл-металлические уплотнения (рис. 1). Такие уплотнения широко применяются во многих отраслях промышленности.

Рис. 1. Типы металл-металлических уплотнений по форме контакта: a - плоский; б - конусный; в - линейный;

г - конусно-сферический; R , l , d – радиус закругления, ширина пояска и рабочий диаметр уплотнения

По специфике механизма герметизации данные соединения относятся к контактным, и их работоспособность определяется сложным характером влияния геометрических и физико-механических параметров рабочих поверхностей на динамику их контактного взаимодействия. Сложная структура стыка, с другой стороны, создает определенные проблемы для математического описания движения рабочих сред в соединениях.

Перечисленное обусловило то, что до настоящего времени не разработана единая теоретическая модель и алгоритмы расчета утечек рабочих сред в герметизируемых соединениях с учетом реальной топографии рабочих поверхностей стыка соединений и условий их эксплуатации.

Отсутствие расчетных моделей приводит к необходимости проведения длительного и трудоемкого экспериментального подбора материалов, технологических методов изготовления и сборки для каждого нового герметизируемого соединения, что существенно удлиняет и удорожает подготовительную стадию производства и препятствует разработке САПР.

В статье предложена модель потока рабочей среды в осесимметричных металл-металлических уплотнениях с использованием параметров реальной топографии уплотняемых поверхностей. Расчет основан на методе конечных элементов, реализованном для уравнения Рейнольдса в полярных координатах.

Постановка задачи. Модель потока рабочей среды в уплотнении с учетом влияния шероховатости может быть описана уравнением для поля давлений жидкой среды в тонких слоях, полученным Патиром и Чженом в условиях приближения Рейнольдса:

https://pandia.ru/text/79/265/images/image006_1.gif" width="211 height=23" height="23">,

где https://pandia.ru/text/79/265/images/image008.gif" width="52" height="23">, – высоты волнистости нижней и верхней рабочих поверхностей уплотнения относительно средних плоскостей соответственно; – зазор между средними плоскостями волнистости (постоянная величина); – зазор в уплотнении с учетом топографии волнистости; https://pandia.ru/text/79/265/images/image013.gif" width="49" height="21 src="> – давление в канале, образуемом зазором. Для вычисления функции EN-US">

где https://pandia.ru/text/79/265/images/image016_0.gif" alt="Подпись:" align="left" width="241 height=255" height="255">

Здесь – кольцевая область; – пробная функция, удовлетворяющая следующим граничным условиям:

где https://pandia.ru/text/79/265/images/image025.gif" width="16" height="24 src="> - радиусы внешней и внутренней границ уплотнения соответственно (рис. 2).

Область представляется в виде конечноэлементной модели ..gif" width="229 height=25" height="25">,font-size:14.0pt"> – отдельный конечный элемент; – обобщенные параметры, зависящие от элемента..gif" width="21" height="25 src=">и font-size: 14.0pt"> ,

где https://pandia.ru/text/79/265/images/image039.gif" width="21" height="24"> - элементарный вклад в функционал

.

После подстановки выражения для пробной функции выражение для элементарного вклада преобразуется к виду

где https://pandia.ru/text/79/265/images/image043.gif" width="69" height="28">, – коэффициенты, выраженные через координаты узлов элемента.

В точке минимума производные функционала по каждому узловому значению обращаются в нуль:

где w , s , t – номера узлов сетки, входящих в элемент e . Присутствующий в выражении интеграл может быть вычислен численно.

Полученные зависимости суммируются и приравниваются к нулю. Все вместе они образуют систему линейных уравнений:

где https://pandia.ru/text/79/265/images/image049.gif" width="25" height="23">.gif" width="23" height="23 src=">) и внутренней () границах рассчитываются по следующим соотношениям :

https://pandia.ru/text/79/265/images/image055.gif" width="200" height="52">.gif" width="25" height="21 src="> – шаг сетки по угловой координате; – число разбиений по угловой координате; – число разбиений по радиальной координате; https://pandia.ru/text/79/265/images/image061.gif" width="39" height="25 src="> – значение давления в узловой точке на последней внутренней окружности; EN-US">MSIU RondWave 2D (свидетельство о регистрации программного продукта №). Встроенный таким образом, он позволяет анализировать герметичность соединения непосредственно сразу же по окончании измерения волнистости его рабочих поверхностей.

Вызов модуля осуществляется из пункта «Моделирование» главного меню управляющей программы АПК (рис. 4). При запуске процесса моделирования первоначально открывается окно параметров исследуемой модели (рис. 5)..gif" width="21" height="23">.gif" width="24" height="23"> – величина гарантированного зазора между максимальным пиком неровности одной рабочей поверхности и максимальным пиком неровности второй рабочей поверхности; – дискретно заданная функция, характеризующая влияние шероховатости.

font-size:10.0pt">Рис. 4. Встроенный модуль для численного моделирования

Функции влияния шероховатости (коэффициенты потока) вычисляются разработанным ранее программным комплексом и экспортируются в данный программный модуль. Каждая функция представляет собой текстовый файл, расположенный в папке functions . Первая строка данных файлов содержит количество точек, в которых задана функция. Последующие строки содержат пары значений – зазор и соответствующее ему значение , разделенные пробелом. В интервалах между заданными значениями зазора функция интерполируется линейно. На границах она интерполируется константными функциями и соответственно для верхней и нижней границ по величине зазора https://pandia.ru/text/79/265/images/image074.gif" alt="Подпись:" align="left" width="390 height=385" height="385">Информация о топографии волнистости поверхности соединения, а также о его геометрических размерах задается через основную программу комплекса MSIU RondWave 2 D .

После ввода параметров исследуемого соединения проводится конечноэлементное моделирование, в результате которого формируется отчет о герметичности соединения (рис. 6). Отчет включает в себя карту распределения давлений внутри зазора между рабочими поверхностями соединения, схему и параметры соединения, полные утечки рабочей среды и график распределения локальных утечек по угловой координате.

Рис. 6 . Отчет о герметичности соединения

Проверка точности вычислений утечек через осесимметричные торцевые соединения с использованием программного модуля. Для проверки адекватности разработанной модели была проведена серия модельных экспериментов по исследованию утечек в абсолютно гладких торцевых осесимметричных уплотнениях. Для подобных соединений существуют аналитические способы нахождения объемных утечек. Сравнение результатов полученных путем аналитических расчетов, с результатами численного моделирования позволяет определить адекватность программного комплекса.

Для расчета утечек через осесимметричные уплотнения предложена следующая аналитическая модель :

, (2)

где https://pandia.ru/text/79/265/images/image078.gif" width="16" height="15"> – угловая скорость вращения соединения. С учетом того, что соединение неподвижно, уравнение (2) принимает вид

.

Все модельные исследования проводились для дизельного топлива марки A , обладающего характеристиками, представленными в табл. 1. Зазор в соединении варьировался в диапазоне от 1 до 2 мкм. Расчет проводился без учета влияния шероховатости (единичная функция 624 " style="width:467.8pt;margin-left:5.4pt;border-collapse:collapse;border:none">

Параметр

Обозначение

измерения

Принимаемые

значения

Давление снаружи уплотнения

1·105

Давление внутри уплотнения

Радиус внешней границы уплотнения

Радиус внутренней границы уплотнения

2,5 ·10-2

Зазор между рабочими поверхностями уплотнения

1·10-6; 1,2·10-6;

1,4·10-6; 1,6·10-6;

1,8·10-6; 2·10-6

Коэффициент динамической вязкости рабочей среды

кг/(м ·с)

Сравнение результатов численного моделирования (https://pandia.ru/text/79/265/images/image052.gif" width="23" height="23 src=">) с аналитическими утечками показало, что различие между ними составляет не более 0,5% . Результаты исследования в виде зависимости утечек от среднего зазора представлены на рис. 7. Таким образом, было показано, что данный программный комплекс удовлетворяет аналитической модели для простейших случаев соединений.

Численное моделирование влияния волнистости на герметичность соединения. Для изучения влияния волнистости на герметичность соединений было проведено численное исследование. В качестве объекта исследования было выбрано модельное соединение, обладающее характеристиками, указанными в табл. 2. Верхняя рабочая поверхность принималась идеально ровной. Так как целью эксперимента являлось определение степени влияния волнистости поверхности на утечки, то коэффициент влияния шероховатости был принят постоянным и равным единице.

Гарантированный зазор в соединении h Δ задавался как расстояние между максимальным пиком нижней рабочей поверхности и плоскостью верхней рабочей поверхности. Эквивалентный зазор в гладком соединении вычислялся как расстояние от плоскости верхней поверхности до средней плоскости нижней поверхности. Расчеты были проведены для значений h Δ : 1; 2; 3; 5; 8; 10; 15 и 20 мкм. Им соответствовали эквивалентные зазоры в гладком соединении: 9,68; 10,68; 11,68; 13,68; 16,68; 18,68; 23,68 и 28,68 мкм.

Таблица 2

Характеристики экспериментального модельного уплотнения

Параметр	Обозначение	измерения	Значение
Давление снаружи уплотнения			1·10 5
Давление внутри уплотнения			5·10 5W a , методика расчета без учета волнистости приводит к 20%-й погрешности. При меньших значениях h Δ эта погрешность может резко возрастать. В свою очередь, с большим ростом значения h Δ она постепенно уменьшается. Результаты исследования отображены на рис..gif" width="31" height="25 src="> – в соединении с гладкими стенками. font-size:12.0pt">Рассмотренная модель потока рабочей среды в осесимметричных металл-металлических уплотнениях с использованием параметров реальной топографии уплотняемых поверхностей может найти практическое применение при проектировании данных уплотнений, назначении технологических методов их изготовления с использованием современных САПР. На основе данной модели разработан программный комплекс, позволяющий проводить быструю и эффективную оценку герметичности торцевых уплотнений. Список литературы 1. Patir, N. An Average Flow Model for Determining Effects of Three-Dimensional Roughness on Partial Hydrodynamic Lubrication / N. Patir, H. S. Cheng // ASME Journal of Lubrication Technology. – 1978. - Vol. 100. - № 1. - P. 12-17. 2. Sheipak, A. A. Application of finite element method (FEM) for calculation of flow factors in seals / A. A. Sheipak, V. V. Porohsyn, D. G. Bogomolov // Abstracts of papers from 2nd world tribology congress (Vienna, Austria, 3 - 7 September 2001). - P. 173-174. 3. Норри, Д. Введение в метод конечных элементов / Д. Норри, Ж. де Фриз. – М.: Мир, 1981. – 304 c . 4. Кондаков, и уплотнительная техника: справочник / , . – М.: Машиностроение, 1986. – 464 с. 5. Порошин, -программный комплекс для трехмерного анализа волнистости поверхности деталей в механосборочном производстве / , // Сборка в машиностроении, приборостроении . - М.: Машиностроение, 2006. - № 12.