HighExpert.RU

Расчет торцевых уплотнений

Важной составляющей при проведении опытно-конструкторских работ, а также при модернизации уплотнительных узлов оборудования является расчет торцевых уплотнений [далее также опытных образцов, прецизионных изделий]. Такие инженерные расчеты позволяют оценивать характеристики опытных образцов для различных геометрических размеров их деталей, размеров камеры оборудования в котором они устанавливаются, с учетом изменения физических свойств рабочей жидкости в процессе эксплуатации.
Пример расчёта торцевого уплотнения циркуляционного насоса автомобиля КАМАЗ [с применением бессеточного метода MKM для решения уравнения Рейнольдса в Mathcad]
расчет торцевого уплотнения При конструировании опытных образцов торцевых уплотнений проводят:
  • гидравлические расчеты;
  • теплотехнические расчеты;
  • прочностные расчеты [в том числе, с применением метода конечных элементов];
  • термодинамические расчеты;
  • критериальные расчеты;
  • моделирование;
  • и другие.
На основе результатов этих расчетов делают определённые выводы, изменяют те или иные размеры элементов и деталей уплотнений, их взаимосвязь, конструктивное расположение и, если необходимо, проводят эти расчеты повторно.
При выборе торцевого уплотнения обычно также проводят оценочный инженерный проверочный расчет.
На этапах проектирования и подбора торцевого уплотнения, также рассчитывают [проверяют] характеристикаи упругих элементов [пружин] и вторичных уплотнений и размеров под их установку, например в виде резиновых колец круглого сечения и(или) резиновых манжет.

Программный комплекс MSLC

Программные комплексы для расчета параметров уплотнений и их деталей имеют, в большинстве случаев, только профессионально работающие компании в области уплотнительной техники. Нами разработан и совершенствуется программный комплекс Mechanical Seals Library Complex Software (MSLC). Основу этого программного комплекса составляет библиотека MSL [в том числе сборка для Mathcad], реализованная на языке программирования C++ на основе разрабатываемых нашей группой инженеров расчетных методиках. Математическая модель расчета параметров торцевого уплотнения, реализованная для модулей программного комплекса MSLC, основана на том, что оно имеет внутреннее или наружное расположение. Компьютерное моделирование характеристик этих прецизионных опытных изделий возможно при варьировании величин давлений и температур рабочей среды в достаточно широких пределах, а также задании практически любой по сложности геометрии сечений колец пары трения.
распределение температуры по кольцам пары трения торцевого уплотнения
Встроенный в библиотеку MSL модуль HTC_FDM позволяет моделировать распределение температуры по сечениям колец пары трения. Модуль визуализации VIS_Module сохраняет результаты моделирования в графические файлы. Для выполнения расчетов возможно задание различной геометрии колец пары трения торцевого уплотнения. Разбиение геометрической модели сечений колец пары трения проводится автоматически с заданной точностью. Характеристики сечения колец пары трения (статические моменты инерции, моменты инерции, координаты центра тяжести сечений этих колец и др.) также определяются в библиотеке MSL и затем используются в последующих расчетах, в частности, для уточнения деформаций.
Распределение статического давления рабочей жидкости в зазоре пары трения торцевого уплотнения
Коэффициент распределения статического давления рабочей жидкости в зазоре пары трения торцевого уплотнения (при раскрытии наружного диаметра он стремится к единице), зависит от характеристик рабочей среды и геометрии рабочих поверхностей колец пары трения - определяется в математической модели решением дифференциальных уравнений, содержащих функцию распределения статического (или полного) давления рабочей жидкостии в зазоре пары трения. Среднее статическое (или полное) давление в зазоре пары трения определяется в результате интегрирования функции распределения давления в зазоре между этим рабочими поверхностями колец. Распределение статического давления рабочей жидкости в зазоре пары трения торцевого уплотнения находится в результате решения системы уравнений: Рейнольдса, неразрывности, и других как для осесимметричной задачи в одномерном случае с учётом гидродинамических сил.
Распределение давления рабочей жидкости в зазоре пары трения торцевого уплотнения
Для двухмерной постановки задачи расчёты проводятся с применением современных бессеточных методов решения уравнения Рейнольдса [с учётом возможной кавитации], и связанных дифференциальных уравнений с варьированием высоты зазора рабочих поверхностей колец пары трения, возможной её диффузорности, конфузорности и(или) волнистости, а также наличия микроканавок различной геометрической формы.
Расчетные значения параметров прецизионных изделий, определяемые в программном комплексе MSLC, позволяют проводить их сравнительный анализ, оценивая эти параметры и сравнивая их с максимально возможными значениями. Критериальные значения расчетных параметров торцевого уплотнения в программном комплексе MSLC позволяют оценивать характеристики такого прецизионного изделия, прогнозировать его возможную работоспособность, например, по критерию потенциала взаимодействия оценивать критическую скорость вращения вала при превышении которой которой возникают условия для деаэрации рабочей жидкости и скопления воздушных пузырьков вокруг колец пары трения, существенно ухудшающие теплоотвод, что часто является причиной снижения надежной работы уплотнения и быстрого выхода его из строя. Сравнительный анализ расчетных параметров торцевого уплотнения позволяет, варьируя размеры деталей и материалы, проводить оптимизацию характеристик этого прецизионного устройства. Кроме возможности проведения сравнительных расчетов параметров торцевых уплотнений, в программном комплексе MSLC доступны функции для проведения расчета характеристик цилиндрических и конических пружин сжатия для уплотнений, а также расчета размеров канавок под резиновые уплотнительные кольца круглого сечения с прогнозированием их срока службы в эксплуатации.
Ознакомиться с упрощённой методикой инженерного расчета гидравлически нагруженного торцевого уплотнения можно здесь.