|
Повышение надежности и долговечности деталей, механизмов, агрегатов, машин
________________________________________________________________________________
69
Термопласты – это материалы, которые при нагревании обратимо переходят в
пластичное или вязкотекучее состояние и затем происходит формообразование непо-
средственно в изделия. Наиболее распространены термопласты на основе полиурета-
на, полиацетали, полиэфирной смолы, политетрафторэтилена. [5]
1.
Полиацеталь (рабочие температуры – от -40°С до +110°С). Термопластичный
материал, обладающий высокой прочностью наряду с высокими показателями жест-
кости и твердости.
2.
Политетрафторэтилен (рабочие температуры – от -200°С до +200°С). Харак-
теризуется следующими свойствами: низкий коэффициент трения и эффект самосма-
зывания; является диэлектриком; приобретает высокие механическая прочность при
использовании наполнителей; инертен практически ко всем промышленным жидко-
стям и химикатам.
3.
Полиуретан (рабочие температуры – от -40°С до +100°С). Термопластичный
материал, который изготавливается из высококачественных полиэфиров, придающие
ему следующие свойства: хорошую прочность и высокую устойчивость к абразивно-
му износу.
4.
Полиэфирная смола (рабочие температуры – от -40°С до +140°С). Данный
полимер нашел применение при изготовлении колец противовыдавливания, исполь-
зующихся для поддержки элементов уплотнения.
Характер повреждения уплотнения значительно зависит от конструкции и типа
уплотнения и пары материалов поверхностей. Для уплотнений с поверхностями из
материалов с высокой твердостью характерны повреждения, вызванные работой в
режиме отсутствия смазки. При трении уплотнения и вала выделяется теплота и в
случае недостаточной смазки уровень теплового потока может достигать значитель-
ной величины.
Учитывая выше сказанное необходимо провести моделирование распределения
теплового поля, для проведения которого, может быть использован «Компас-
3DFEM». Это программное обеспечение, позволяет решать прикладные задачи проч-
ности, теплообмена и т.д. методом конечных элементов. Результатом расчета могут
быть значения напряжений или температур [7].
Соответственно построены 3D-модель бурового вала, по поверхности которого
происходит тепловыделение. Она представляет собой цилиндрическую часть бурово-
го вала гидросъемника длиною 188 мм, с внутренним глухим отверстием
45 мм для
подачи водно-цементной смеси. В данном расчете рассматривается модель бурового
вала без фланцевых элементов закрепления. Материал бурового вала «Сталь 10», с
соответствующими механическими и физическими свойствами. Генерирование сетки
произведено элементами с максимальной длиной стороны 5 мм и с максимальными
коэффициентами сгущения на поверхности и разрежения в объеме – 1 и 1,5 соответ-
ственно. В результате в сетка содержит 25664 конечных элементов и 6843 узлов.
Для того чтобы задать тепловую нагрузку необходимо рассчитать значение
температуры, воздействующей на контактные поверхности. Известно значении вели-
чины выделяемой тепловой мощности, при давлении 36 МПа она составляет 7,6 кВт
за 3 минуты [3], поэтому количество выделившейся за то же время теплоты будет
равняться произведению мощности на время и составлять 1368 кДж. Так же количе-
ство теплоты представляет собой произведение удельной теплоемкости вещества (для
стали составляет приблизительно 500 Дж/кг
С [6], [25]), массы вещества (составляет
НАДЕЖНОСТЬ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ
________________________________________________________________________________
70
9,6 кг) и изменения температуры (от начального значения 20
С до конечного искомо-
го (
T
2
)). Поскольку задаваемым значением является величина температуры, то фор-
мула для расчета
T
2
имеет вид:
1
2
T
m
c
Q
T
, (1)
где
Q
– количество теплоты, Дж;
с
– удельная теплоемкость вещества, Дж/кг
С;
m
– масса вещества, кг;
T
1
– начальное значение температуры,
С.
Подставляя численные данные в выше приведенную формулу, получаем значе-
ние температуры равное 240
С, температура остальных поверхностей соответственно
принята 20
С. Выполнив все условия для проведения моделирования, был произведен
соответствующий расчет распределения температуры в выбранном участке бурового
вала. Распределение теплового поля показано на рисунке 1. Следует отметить, что
глубина проникновения в материале вала наиболее высокой температуры (более
200
С) составила около 15 мм.
Рис. 1.
Модель распределения теплового поля в участке бурового вала
Анализируя полученный результаты можно сделать вывод, что полимерные
материалы, применяемые в настоящее время для изготовления уплотнительных эле-
ментов не способны выдержать температуру, возникающую в процессе эксплуатации
устройств для струйной цементации грунтов. Соответственно для повышения надеж-
ности конструктивного узла «гидросъемник-буровой вал» необходимо применять
уплотнительные элементы, изготовленные из материалов, способных выдерживать
значительные тепловые нагрузки, либо влиять на тепловой баланс в системе «гидро-
съемник-буровой вал» путем изменения технологических параметров, что несомнен-
но скажется на производительности или уменьшать тепловыделение путем изменения
морфологии контактных поверхностей [8, 10] за счет введения дополнительной обра-
ботки поверхности бурового вала.
Do'stlaringiz bilan baham: |
