ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФОРМЫ ПОВЕРХНОСТИ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО РАЗЪЕМА ИЗ УСЛОВИЙ МИНИМАЛЬНОГО РАСКРЫТИЯ СТЫКА НА ОСНОВЕ ВАРИАНТНЫХ КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНЫХ РАСЧЕТОВ КОРПУСА НАСОСА

При эксплуатации насосов с большой площадью поверхностей горизонтального разъема нередко обнаруживается частичное раскрытие стыка между крышкой и уплотнительной прокладкой. Хотя герметичность насоса не нарушается, однако возникает проблема постепенного размыва части поверхности крышки в местах неплотного прилегания прокладки. Использование наплавок антикоррозийных покрытий полностью не устраняют этот дефект. Кроме того, за время эксплуатации характеристики уплотнений ухудшаются, а срок их безопасной работы сокращается.

Чтобы повысить эффективность работы таких насосов, необходимы конструктивные решения по изменению формы крышки. В используемой конструкции крышки ее плоскость строго параллельна плоскости корпуса. Однако расположение соединительных болтов таково, что не обеспечивается равномерное обжатие прокладки. Причем улучшить положение болтов невозможно по конструктивным причинам, а усилия затяжки болтов строго регламентированы. Поэтому наиболее доступный и эффективный способ конструктивного решения этой проблемы состоит в изменении формы поверхности горизонтального разъема крышки. Авторы предлагают выполнить механическую обработку поверхности уже спроектированной крышки, чтобы образовались два наклонных участка с максимальным снятием металла на внешнем контуре разъема крышки. При выборе оптимальных углов наклона плоских поверхностей и максимальной глубины снятия материала могут быть достигнуты условия равномерного обжатия уплотнительной прокладки при заданном расположении болтов.

Для обоснованного решения рассмотренной проблемы необходимы:

1) математическая постановка контактной задачи между поверхностями крышки и уплотнительной прокладки; 2) трехмерное геометрическое моделирование крышки с целью получения адекватных и эффективных моделей для дальнейшего использования в расчетных комплексах; 3) конечно-элементное моделирование взаимодействующих тел и настройка опций контактной задачи; 4) анализ напряженного деформированного состояния крышки, уплотнения и статуса контактных поверхностей с целью определения реального раскрытия стыка поверхностей горизонтального разъема.

Целесообразно решить контактные задачи для поверхностей исходной, а также модифицированной конструкции, чтобы можно было оценить качественные и количественные изменения в характере распределения зон контакта между поверхностями крышки и прокладки.

ПОСТАНОВКА КОНТАКТНОЙ ЗАДАЧИ.


ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

С целью адекватного отражения деформирования крышки в объемах, примыкающих к поверхности горизонтального разъема при геометрическом моделированию в пакете Solidworks максимально точно воспроизведена конфигурация поверхности разъема. Однако для части крышки, удаленной от поверхности разъема можно пренебречь некоторыми деталями, которые мало влияют на характер НДС крышки при затяжке болтами. Такие упрощенные модели лучше разбиваются на конечные элементы и более эффективны при многократных расчетах а комплексе ANSYS. Более того, применяется трехмерное моделирование отдельно для левой и правой части крышки относительно оси внутренней цилиндрической полости, что предполагает независимое исследование НДС для каждой из частей. На рис. 1 представлены геометрические модели соответственно для левой и правой части крышки. Возможность такого подхода доказана тестовыми расчетами крышки, в которых сравнивались напряжения на поверхности разъема для полной и фрагментарных моделей. Погрешности по напряжениям оказались незначительными.


РЕШЕНИЕ КОНТАКТНОЙ ЗАДАЧИ

Сначала была решена задача контактного взаимодействия правых частей крышки и уплотнительной прокладки для исходной необработанной поверхности горизонтального разъема. Модели крышки и прокладки были разбиты соответственно на 26661 (рис. 2а) и 2094 (рис. 2б) объемных конечных элементов SOLID95. А между поверхностями крышки и уплотнительной прокладки создана контактная пара, включающая 3029 контактных конечных элементов CONTA174.


В результате решения контактной задачи получено распределение зон контакта между крышкой и прокладкой на поверхности горизонтального разъема для регламентированной затяжки болтов МК=78 кгс•м, которая соответствует заданию давления на поверхностях под головками болтов Р=135 МПа. На рис. 3 темный оттенок соответствует областям плотного контакта, в которых имеется ненулевое контактное давление Q, а светлый оттенок соответствует областям, свободным от контакта, в которых Q = 0. Для исходной необработанной поверхности крышки характерно неравномерное распределение зон контакта преимущественно в местах расположения болтов (рис.3а). А ближе к внутреннему контуру преобладают свободные зоны. Такая картина распределения контактных зон объясняет раскрытие стыка поверхности горизонтального разъема именно в этих местах.


Чтобы уменьшить раскрытие стыка, предлагается выполнить плоскость разъема крышки не горизонтальной, а под малым углом = 0,157. Причем, обрабатывать материал необходимо по направлению от внутреннего контура (где нет обжатия прокладки) к внешнему контуру плоскости крышки, что соответствует максимальному снятию металла на внешнем контуре до 1 мм.

Для правой части крышки была построена конечно-элементная модель с наклонной поверхностью разъема (=0,157). И решена контактная задача для модифицированной крышки и прокладки с начальным коническим зазором. Решение контактной задачи выполнялось пошагово в соответствии с последовательным увеличением затяжки болтов.

На рис. 3б представлено распределение зон контакта для Р=60 МПа, которое показывает, что уже на первом этапе затяжки болтами возникают зоны контакта возле внутреннего контура разъема (в прежней конфигурации крышки они отсутствовали – см. рис.3а). С увеличением затяжки до нормы (давление под болтами Р=130 МПа), зоны контакта охватывают почти всю поверхность горизонтального разъема (рис.3в). Итоговая картина распределения контактных зон может быть улучшена, если увеличить затяжку до Р=180 МПа (рис.3г). В этом случае можно говорить, что достигнуты условия минимального раскрытия стыка поверхностей горизонтального разъема.

Предложенная методика позволяет выбирать оптимальную форму поверхности горизонтального разъема независимо для правой и левой части крышки. Причем угол обработки поверхности могут отличаться для каждой части крышки.

Труды XIII международной научно-технической конференции по компрессоростроению. Сумы 2004

на главную