Тезисы докладов XXVIII научно-технической конференции ПГТУ по результат
..pdfперепадах давлений (до 200 МПа), эти силы могут достигать сотни ньютонов, а потому не могут быть не учтены,
В основу расчета предохранительного клапана прямого дейст вия, работающего на высоком давлении, положены исследования ав тора, проведенные в цилиндрических золотниковых устройствах, а также данные литературы по расчету конических клапанов. Есть та кое открытие окна золотника, при котором гидродинамическая сила меняет направление действия. Такое положение может привести к не устойчивой работе клапана, а значит, и всей системы. Правильный расчет гидродинамической силы позволяет избежать такого состоя ния гидроаппарата.
У Ж 621.67.001
ПУТИ МОДЕРНИЗАЦИИ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ СЕКЦИОННЫХ НАСОСОВ ТИПА ЦНС
Н.В.1Усин, 0.В.Шекунова
Центробежные многоступенчатые секционные насосы типа ЦНС ши роко применяются в народном хозяйстве. При содержании в воде зна чительного количества механических примесей происходит быстрый износ рабочих органов, в первую очередь рабочих колес. Замена вы шедших из строя колес является наиболее сложной проблемой при ре монте, так как основной производитель этих насосов находится за рубежами России.
Основной тип рабочих колес, используемых в насосах типа ЦНСг это колеса с лопастями двойной кривизны. Они сложны в изготовле нии и требуют, как правило, применения литья в песчаные формы. Однако анализ показывает, что применение колес с лопастями двой кой кривизны не всегда оправдано. Они используются в большинстве существующих насосов как в первых ступенях, так и в промежуточных ПРИ больших и низких коэффициентах быстроходности. Если примене
ние таких колес в первых ступенях можно |
объяснить стремлением |
||
получить высокие |
кавитационные качества, |
то этого нельзя утверж |
|
дать в отношении |
промежуточных ступеней, |
в которых эти |
качества |
Ив нужны. Нельзя объяснить одновременное использование |
лопастей |
двойной кривизны в колесах первой и промежуточных ступеней и стремлением к унификации, так как ступени выполнены отличающимися
друг от друга• По-видимому, существующее положение объясняется ус таревшими подходами к расчету и проектированию рабочих колес.
Рабочие колеса с цилиндрическими лопастями проще в изготовле нии, при соответствующих размерах позволяют использовать литье под давлением и применять износостойкие пластмассы, при этом обеспечи вается большая точность и чистота поверхностей. Они могут быть рас считаны и спроектированы с хорошими'кавитационными и энергетически ми качествами при коэффициентах быстроходности до 200-250, т.е. в значительно более широком диапазоне, чем обычно рекомендуется (до 90).
УДК 621.671
0 ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЦЕНТРОСТРЕМИТЕЛЬНОЙ СТУПЕНИ В КАЧЕСТВЕ ПЕРВОЙ В ЦЕНТРОБЕЖНЫХ СКВАЖИННЫХ НАСОСАХ
Н.В.1Усин, Н.В.Гонцева
Центробежные скважинные электронасосы широко применяются для водоснабжения, водопонижения в горнорудной промышленности и строи тельстве, при осушении. Особенностью их эксплуатации является то, что они перекачивают воду со значительным содержанием механических примесей. Последние проходят вместе с водой через проточную часть, вызывая интенсивный износ рабочих органов и ухудшая условия работы подшипников. Все это снижает надежность и долговечность конструкции. Для увеличения срока службы рабочие органы изготавливают из износо стойких материалов. Для улучшения работы подшипников принимают спе циальные конструктивные меры. В результате агрегат усложняется и удорожается.
Одним из путей решения данной проблемы является применение в качестве первой ступени устройства, состоящего из входного направ ляющего аппарата, центростремительного рабочего колеса и выходного направляющего аппарата, подводящего поток к обычной центробежной ступени. Возможность создания центростремительной насосной ступени вытекает из анализа уравнения Эйлера для турбомашин. При вращении ротора вода, направленная входным направляющим аппаратом, захваты вается вместе со взвешенными в ней примесями центростремительным колесом. Взвешенные твердые частицы, имея большую плотность, чем
вода, отбрасываются центробежными силами, развиваемыми при враще нии центростремительного колеса и. таким образом, не попадают в последующие ступени. Из износостойких материалов в данном случае выполняется только центростремительная ступень.
Более низкий КПД центростремительной ступени не имеет сущест венного значения, так как она проектируется на меныпий напор, чем центробежные ступени. Доля потребляемой ею мощности невелика по сравнению с мощностью, потребляемой остальными центробежными сту пенями.
УДК 622.276.53
РАСЧЕТ ШДРОДИНАМИЧЕСКИХ УСИЛИЙ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТШИ КОЛОННЫ ШТАНГ С ЖИДКОСТЬЮ В НЕФТЯНОЙ НАСОСНОЙ УСТАНОВКЕ ТИПА "КАЧАЛКА"
Н.В.1усин
При работе штанговой насосной установки колонна штанг, совер шающая вертикальное возвратно-поступательное движение, взаимодей ствует с жидкостью в насосной колонне труб. В результате этого взаимодействия возникают дополнительные гидродинамические усилия на штангах и в точке их подвеса. Они складываются:
-из жидкостного трения на гладких участках штанг;
-из жидкостного трения при обтекании соединительных муфт;
-из жидкостного трения при обтекании поверхностей центрато ров и скребков;
-из поршневого эффекта от соединительных муфт, центраторов
искребков.
Из дополнительных гидродинамических усилий существующие ме тодики учитывают только жидкостное трение на гладких участках штанг и по муфтам. Вывод расчетных формул основан на представле нии взаимодействия колонны штанг с жидкостью как неустановившегося напорного движения между двумя коаксиальными цилиндрами.
Движение жидкости при возвратно-поступательном перемещении штанг не является напорным. Оно инициировано не перепадом давле ния, а трением жидкости о штанги, т.е. является чисто фрикцион ным движением. На это движение накладывается при ходе штанг вниз
во время процесса нагнетания* напорное движение от насосной подачи.
На основе модели фрикционного течения между колонной штанг и насосной колонной труб представлены расчетные зависимости для определения гидродинамических усилий от жидкостного трения по всем элементам колонны штанг и поршневого эффекта от муфтовых соединений, центраторов и скребков как для незапарафиненной, так
и для запарафиненной скважины. Для незапарафиненной скважины уси лия от жидкостного трения и поршневого эффекта составляют 2- 5 % от максимальной нагрузки на колонну штанг, для запарафинен ной - до 25 %, причем в последнем случае основная доля приходит ся на усилия от поршневого эффекта.
УДК 621.65.001.5
НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ НАСОСА ВЫСОКОГО Д А В Ш Ш
СКЛАПАННЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ
А.В.Горбунов
Насосы высокого давления с клапанным распределением исполь зуются в составе агрегатадля обработки нефтяных скважин.
В процессе эксплуатации таких насосов возникают дефекты: разрушение узла клапан-седло и разрушение трубопровода. При работе насоса имеют место высокие уровни вибраций, которые свя заны с динамическими процессами внутри агрегата.
Существующая теория не может объяснить возникновение вибра ции в объемных насосах. Она рассматривает неравномерность расхо да и давления как следствие особенностей кинематики механизма насоса. При этом принимается, что жидкость несжимаема. Указанные
насосы работают на очень |
высоком давлении. Оно |
достигает |
|
500 кгс/см2 , а в перспективе |
- до 20С'0 кгс/см2. В таких услови |
||
ях жидкость как упругая среда. Сжимаемость жидкости, |
а |
также |
|
наличие распределителя клапанного типа являются причинами |
воз |
||
никновения высокочастотных пульсаций расхода и давления, |
которые |
вредно воздействуют на систему насос-трубопровод .
Модель, которая с достаточной точностью описывает работу та кой системы, должна основываться на уравнениях динамики жидкости,
а также на уравнениях движения клапанов насоса. Результаты анали за модели помогут найти пути снижения вредного влияния вибрации и повышения ресурса агрегата в целом.
УДК 621.65.001.5
К ВОПРОСУ РАЗРАБОТКИ НОВОЙ ТЕОРИИ ОБЬИЙНЫХ ШДРОМАШИН
Ю.М.Орлов
Существующая до сих пор теория объемных гидромашин, основан ная на принципе отсутствие* сжимаемости жидкости, связывает нерав номерность расхода на нагнетании только с кинематической неравно мерностью механизма гидромашины.
алеете с тем, многочисленные и очень тонкие эксперименталь ные исследования динамических процессов на нагнетании и на вса сывании, выполненные в последние годы, показывают, что в реаль ных условиях пульсация расхода и давления в гидромашинах опреде ляется особенностями рабочего процесса, который зависит от коле бательных явлений при переходе рабочего органа из зоны всасывания в зону нагнетания и обратно.
На основании современных экспериментальных генных можно ут верждать, что колебательные явления на стороне нагнетания и на стороне всасывания объемных гидромашин являются полигармоническими. В составе спектра пульсации давления и расхода гидромашины помимо основной (плунжерной, пластинчатой и т.д.) частоты при сутствуют высокочастотные гармоники с частотами, кратными основ ной. Количество гармоник спектра может достигать двадцати и более.
Первые работы по исследованию рабочего процесса в быстроход ных плунжерных насосах, выполненные в 70-80-е годы в Пермском го сударственном техническом университете, показали возможность раз работки новой теории объемных гидромашин - теории рабочего процесса.
УДК 621.664
РАЗРАБОТКА МИНИАТЮРНОГО ШЕСТЕРЕННОГО НАСОСА ДЛЯ ГИДРОПРИВОДА
Ю.М.Орлов, Р.В.Макаров
Для различных видов ручного гйдрофицированного инструмента: подъемных устройств, пресс-ножниц, гайковертов и других, необхо дима малогабаритная переносная гидростанция с достаточно мощным насосом.
В качестве насоса может быть использована объемная гидрома шина, имевдая минимальную массу, простая по конструкции и доста точно технологичная в изготовлении. С другой стороны, такой на сос должен работать при достаточно высоком давлении на нагнета
нии |
до |
Р = 10-15 МПа и иметь повышенную частоту вращения ро |
тора |
до |
/Z = I5000-I8000 об/мин. |
|
Таким условиям наиболее полно отвечают быстроходные шесте |
ренные топливные насосы, созданные для некоторых видов ракетной техники.
Последние, однако, требуют значительных конструктивных изме нений как по корпусу, так и по другим деталям. Наиболее перспек тивными, по нашему мнению, являются создание и доводка втулокподшипников из дешевых антифрикационных материалов и разработка упрощенной схемы гидравлического подкатил втулок к шестерням.
Первые разработки показали наличие больших возможностей по созданию миниатюрного шестеренного насоса высокого давления.
УДК 539
ТЕХНОЛОГИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ УГ1ЕР0Д-УГЛЕР0ДЦЫХ КОМПОЗИТОВ И КОНСТРУКЦИЙ. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ МОНОГРАФИИ
Ю.В.Соколкин, А.М.Вотинов, А.А.Ташкинов, А.АЛекалкин
В монографии рассмотрены вопросы технологии и механики утле- род-углеродных композитов и конструкций на их основе. Приведены основные технологические способы получения углеродных композитов с углеродной матрицей. Изложен один из перспективных технологичес-
ких способов пропитки и уплотнения углеродного каркаса углеродом - термоградиентный метод. Разработана математическая модель кинети ки процесса насыщения углеродов и исследовано влияние технологи ческих факторов на структуру и свойства углеродного композита. Не сомненный интерес представляют предложенные способы повышения ме ханических свойств углерод-углеродных композитов. Приведены диа граммы деформирования и прочностные свойства углеродных композитов.
На основе структурно-феноменологического подхода получены оп ределяющие соотношения, учитывающие взаимодействие процессов де формирования и разрушения на макро- и микроуровнях. Разработаны ме тодики прогнозирования упругих, прочностных и теплофизических свойств, а также трещиностойкости данного класса композитов. При ведены результаты исследования поведения и прогнозирования несущей способности тонкостенных и пространственных конструкций из утлеродутлеродных композитов.
Авторы благодарны Российскому фонду фундаментальных исследова ний за финансовую поддержку (проект 94-01-00227 а). Предполагаемый срок выхода книги в издательстве "Наука" - вторая половина 1995 г.
УДК 539.3:539.4:678.067
АНАЛИЗ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОГО ПОВЕДЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ
СУПРОЧНЕННЫМ ПОВЕРХНОСТНЫМ СЛОЕМ
А.А.Ташкинов,С.Г.Иванов,И.Г.Удинцев,В.Ю.Чунаев
Изделия из пространственно-армированного углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ) с 3-J ортогональной структурой создаются, как правило, для работы при высоких температурах, на пример в сопловых блоках ракетных двигателей. С внутренней поверх ности изделия, находящейся под действием потока горячих газов про исходит интенсивный унос материала. Для таких материалов величина уноса составляет 0,145-0,18 мм/с. Реальное улучшение характеристик изделия возможно при снижении в новых УУКМ величины уноса до 0,05 мм/с. Такое снижение может быть достигнуто при уплотнении поверхностного слоя карбидом кремния, осаждаемым из газовой фазы.
Прочности силицированного КИМФ на растяжение и сжатие оказались на 20-30 % ниже прочности исходного материала.
Для решения поставленной в работе задачи нестационарной нели нейной теплопроводности для определения температурного поля в раз личные моменты времени в сечениях осесимметричных конструкций при менялись метод конечных элементов и временное рекуррентное соотно шение, позволяющее реализовать пошаговый процесс от начального до требуемого момента времени.
Для расчета напряженно-деформированного состояния конструкции из УУКМ с уплотненным поверхностным слоем под действием силовой* (внутреннее давление) и температурной нагрузки - найденного темпе ратурного 'поля T(r,t), использовался метод конечных элементов.
Анализ НДС в критическом сечении сопла показывает эффектив ность упрочнения насыщением поверхностного слоя не только с точки зрения уменьшения уноса, но и с точки зрения улучшения механичес кого состояния. Уплотнение поверхностного слоя приводит к лучшим соотношениям между напряжениями и прочностями, несмотря на сниже ние пределов прочности на растяжение и сжатие. Это происходит, по нашему мнению, за счет более низких значений КЛТР у силицированно го материала.
У Ж 620
СТАТИСТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ
ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
А.А.Чекалкин
Проектирование конструкций летательных аппаратов во многом свя зано с растущим использованием различных по назначению, структуре и компонентам композитных материалов для создания высокоответственных несущих элементов и узлов ракетно-космической техники. Задачи раци онального проектирования приводят к необходимости развития математи ческих моделей и методов решения стохастических краевых задач дефор мирования и процессов исчерпания несущей способности элементов кон струкций аэрокосмической техники.
В рамках моделей механики неоднородных сред несущая компо зитная конструкция может быть исследована как деградирующая сис тема связанных дискретных элементов, а ее надежность определена путем интегрирования кинетических уравнений балансового типа для вектора переходных вероятностей. При этом полагается, что коли чество статистически возможных состояний системы счетно, а зна чения компонент матрицы интенсивностей переходов вычисляются пу тем решения соответствующих краевых задач механики неоднородных конструкций. В этом случае надежность композитной конструкции и процесс исчерпания несущей способности будет связан со статисти ческой последовательностью отказов компонентов композитного ма териала в процессе деформирования, которая образует марковскую цепь событий.
При использовании данного подхода процессы деформирования и разрушения композитной конструкции являются связанными и рассмат риваются как на структурном, так и на макроскопическом уровнях, что позволяет исследовать механизмы исчерпания несущей способно сти, учесть статистическую природу прочности, начальной поврежденности и несовершенств структуры композита, выявить влияние па раметров технологического процесса создания материала и конструк ции на надежность системы, оценить надежность конструкции при случайных внешних воздействиях и с учетом истории нагружения.
Выполнение данной работы во многом оказалось возможным бла годаря гранту по фундаментальным исследованиям в области авиаци онной и ракетно-космической техники 1993/94 г.
УДК 539.21:621.762
МЕХАНИКА УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ СТРУКТУРНО-ШЮДНОРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ДЕТАЛЕЙ И ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ КОМПОЗИТОВ
А.В.Бабушкин, Ю.В.Соколкин, студентка Е.А.Коромыслова
Механическое поведение порошковых композитов в условиях цик лического нагружения описывается в рамках механики деформируемого твердого тела. Математическая модель реализует структурно-феноме нологический подход и позволяет решать связанную краевую задачу механики по определению эффективных усталостных характеристик ма
териала, опираясь на данные о структуре и свойствах ее компонен тов, а также обратную задачу. Численная реализация математической модели основана на процедуре метода конечного элемента.
Экспериментальные исследования образцов из ряда порошковых материалов на основе железа показали, что ресурс изделия опреде ляется временем накопления микроповреждений. Поэтому в рамках численной реализации математической' модели деформирования и раз рушения порошковых композитов для элементов структуры принята ли нейная модель накопления микроповреждений Коффина - Мэнсона и мо дель наислабейшего звена для макроразрушения. Для построения моде ли использовались данные о структурных составляющих и их механи ческих свойствах, а также результаты измерения объемной пористо сти (гидростатический метод) порошковых композитов. Сравнение расчетных данных прогнозирования ресурса изделий (образцов) по рошковых композитов с экспериментальными подтвердило адекватность модели. Данная математическая модель и результаты экспериментов были использованы при исследовании усталостных характеристик ря да порошковых композитов. При этом были определены пределы вынос ливости и особенности усталостного разрушения композитов. Так, например, исследовано влияние углерода и характер нагружения (мягкое - жесткое) на усталостные свойства порошковых сталей. При исследовании влияния пористости на выносливость порошкового желе за определился немонотонный характер этой зависимости.
Работа выполнена при финансовой поддержке в рамках исследова тельской программы "Технические университеты”.
УДК 681.3
ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА "КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И КОНСТРУКЦИИ”
А.Н.Аношкин, А.Г.Котов, Ю.В.Соколкин, студентка А.В.Юницкая
Информационная система "Композиционные материалы и конструк ции" предназначена для решения проблемы создания новых композици онных материалов (КМ) и элементов конструкций на их основе с за данным комплексом физико-механических, физико-химических и тепло физических свойств и оптимальными параметрами изделий.