Лекция 9. Модель уплотнения
Главная проблема герметизации состоит в обеспечении оптимального взаимодействие элементов герметизирующей системы. Оно характеризуется по меньшей мере четырьмя параметрами: утечкой герметизируемой среды, механической работой в системе, информацией о взаимодействии элементов и параметрами материалов, из которых они выполнены. Схематически это показано на рис. 27. Основные элементы герметизирующей системы обладают определенными параметрами (табл. 6), характеризующими их взаимодействие или влияющими на механические, физические и химические процессы, которые сопровождают герметизацию. Задачей системного анализа является идентификация и оценка этих параметров для того, чтобы внести коррективы в структуру герметизирующей системы. Очевидно, что есть различия между взаимодействиями элементов, обусловленными, например, функцией уплотнения в машине, и физико-химическими процессами с участием сред и материалов, из которых выполнены элементы. Поэтому более-менее исчерпывающую характеристику герметизирующей системы может дать комплекс схем, иллюстрирующих взаимодействие элементов при выполнении системой основной функции изоляции сред, механической работы, а также при протекании в ней тепловых процессов и физико-химического превращения сред и материалов.
Рис. 27. Элементный состав герметизирующей системы. 1 и 4 – герметизируемая и окружающая среды; 2, 3 – сопрягаемые детали; 5 – разделительный элемент (герметизатор)
Таблица 6 – Основные параметры элементов герметизирующей системы
| № п/п |
Наименование элемента системы |
Параметры |
| 1 |
Герметизируемая среда |
Давление, проникающая способность, плотность, вязкость, химическая активность |
| 2 |
Сопрягаемые детали |
Свойства материалов, конструкция, условия нагружения, надежность, износ, распределение зазоров |
| 3 |
||
| 4 |
Окружающая среда |
Давление, температура, плотность, вязкость |
| 5 |
Герметизатор |
Условия и параметры течения, реологические характеристики, химическая активность, утечка |
На рис. 28 приведены диаграммы герметизации для разделяющего герметизируемую 1 и окружающую 4 среды соединения твердых элементов (2, 3) из одинакового материала. Самостоятельным элементом 5 герметизирующей системы будем считать находящуюся в зазоре соединения разделительную среду или некоторое количество герметизируемой и окружающей сред, загрязненных частицами, которые оторвались от сопряженных поверхностей твердых элементов. Функция системы (рис. 28, а) осуществляется в процессе подвода герметизируемой среды 1 к зазору в соединении и прохождения ее в допустимом количестве через элемент 5 в окружающую среду 4. Степень герметичности системы в значительной мере определяют обмен механической энергией и теплота между элементами системы, а также физико-химическое взаимодействие сред и материалов, из которых выполнены элементы. На диаграмме энергетического обмена (рис. 28, б) стрелками показаны подвод энергии к герметизируемой среде 1 и обмен ею с элементом 5, находящимся в зазоре и обеспечивающем перепад давления в соединении. Он взаимодействует также с твердыми элементами 2 и 3, через которые передаются напряжения сжатия, приводящие к изменению гидравлического сопротивления зазора, или касательные напряжения, которые создают в зазоре препятствующее утечке движение элемента 5. В энергообмене участвует окружающая среда 4. Все процессы совершения механической работы элементами системы сопровождаются диссипацией энергии. Информацию о взаимодействии элементов дает схема (рис. 28, в) превращения работы в теплоту и теплообмена в герметизирующей системе. Надо отметить, что энергия в большей мере, чем теплота, соответствует аналогу механической работы. Энтропия может быть генерирована в результате необратимой работы. В данном случае имеет место ее обмен со средами 1 и 4. Однако анализ распределения тепловых потоков и температур проще в методическом плане и информативнее с позиций эксплуатации уплотнений. В герметизирующей системе происходит превращение в теплоту работы герметизации, а также теплообмен между всеми контактирующими элементами. Регулирование температуры элемента 5 часто осуществляют путем внешнего нагревания или охлаждения твердых элементов 2 и 3.
Во всех уплотнениях имеют место физико-химические превращения материалов (рис. 28, г). В подвижных контактных уплотнениях происходит фрикционный перенос материала между элементами 2 и 3, который совершается посредством элемента 5. В основном через него же происходит физико-химическое взаимодействие герметизируемой среды и твердого материала. Эту схему завершает утечка герметизируемой среды через элемент 5 в окружающую среду 4. Механическое взаимодействие элементов герметизирующей системы, совершается в статическом или динамическом режиме, может сопровождаться трением, вибрацией, абляцией и другими процессами в сочетании с воздействием физических полей. Влияние каждого из этих факторов на взаимодействие элементов герметизирующей системы можно оценить с помощью соответствующей диаграммы.
 |
 |
| а) |
б) |
 |
 |
| в) |
г) |
Рис. 28. Диаграммы герметизации: а – функциональная; б – энергетическая; в – тепловая; г – взаимодействия материалов. Остальные обозначения те же, что на рис. 27
Приведенное на рис. 28 графическое отображение процессов, сопровождающих герметизацию, не единственный вариант представления информации для анализа герметизирующих систем. Альтернативными вариантами может быть матричная модель, отражающая возможные воздействия каждого из элементов на другие. Можно составить перечень характеристик герметизирующей системы, в котором систематическим образом нашли бы отражение параметры операций и процессов, сопровождающих герметизацию.
Приведем перечень основных характеристик герметизирующей системы:
1. Техническая функция системы в машине.
2. Общая характеристика конструкции и условий эксплуатации: фазовое состояние герметизируемой среды, перепад давления; тип и конструктивные особенности герметизируемого соединения; нагрузка в соединении, скорость перемещения элементов; материалы соединения.
3. Структура герметизирующей системы: элементы системы – герметизируемая среда 1, окружающая среда 4, элементы сопряжения 2 и 3, разделительный элемент 5; механическое и физическое взаимодействия элементов 1 – 5, а также компонентов элемента 5; важные свойства элементов, в том числе стойкость в средах.
4. Рабочие параметры системы: допустимая утечка; характеристики надежности; энергетические параметры; триботехнические параметры.
контрольные вопросы:
1.Что такое герметизирующая система?
2.Назовите основные параметры элементов герметизирующей системы, определяющие условия работы герметизирующей системы.
3.Каково функциональное назначение каждого элемента герметизирующей системы?
4.Перечислите основные характеристики герметизирующей системы.