12_Hlopenko.doc Экспериментальные исследования циклической прочности и ударостойкости сильфонов выравнивающего устройства Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 1 80 Хлопенко Н.Я., Гаврилов С.А. Национальный университет кораблестроения им. адм. Макарова, г. Николаев, Украина ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЦИКЛИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ И УДАРОСТОЙКОСТИ СИЛЬФОНОВ ВЫРАВНИВАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА Введение В работах [1, 2] методом конечных элементов (МКЭ) выполнены расчеты циклической прочно- сти и ударостойкости сильфонов гидравлического выравнивающего устройства (ГВУ) упорных подшип- ников скольжения судовых газотурбинных двигателей при торцовых биениях гребня и кинематическом возбуждении корпуса. Показано, что работоспособность сильфонов сохраняется при циклическом и ударном нагружениях, не превышающих нормативные значения. Целью настоящей работы является экспериментальная проверка адекватности расчетов цикли- ческой прочности и ударостойкости сильфонов по методу конечных элементов. Для проверки адекватности расчетов циклической прочности сильфонов по МКЭ использова- лись экспериментальные результаты для сильфона 48 × 10 × 0,25 ГОСТ 21482-76, приведенные в работе [3], а также исследования, выполненные нами на действующем стенде [4] для сильфона 34 × 4 × 0,25 ГОСТ 21482-76 с четырьмя гофрами. Испытания ударостойкости сильфона 34 × 4 × 0,25 ГОСТ 21482-76 с четырьмя гофрами, запол- ненного маслом, проводились на ударном стенде. Необходимые измерения осуществлялись при помощи автоматизированного измерительного комплекса [5]. Показано, что теоретическое и экспериментальное значения чисел циклов до разрушения силь- фона 48 × 10 × 0,25 ГОСТ 21482-76 отличаются друг от друга всего лишь на 3 %, а потеря упругости сильфона 34 × 4 × 0,25 ГОСТ 21482-76 с четырьмя гофрами при ударе происходит при ускорении, кото- рое всего лишь на 4 % отличается от измеренного значения. Циклическая прочность сильфонов ГВУ Расчет циклической прочности сильфона 48 × 10 × 0,25 ГОСТ 21482-76, изготовленного из спла- ва 36НХТЮ, проводился при нагружении переменным внутренним давлением от p = 0 до p = 1,16 МПа при условии силовой компенсации (рис. 1). Полученное в результате расчета по МКЭ количество циклов оказалось равным 326 тыс., а цик- лическая прочность для рассматриваемого сильфона, определенная по номограммам ГОСТ 21482-76, составила 316 тыс. [3]. Как и следовало ожидать, экспериментальное значе- ние числа циклов с достаточной для практики точностью сов- падает с расчетным по МКЭ (расхождение не превышает 3 %). Этот результат показывает, что метод конечных элементов адекватно описывает физические процессы, протекающие в сильфонах при их циклическом нагружении. Как показывают экспериментальные исследования, проведенные нами в работе [6], амплитуды перемещений не- закрепленных торцов сильфонов при внутреннем давлении 0,933 МПа, уравновешивающем внешнюю нагрузку, на не- сколько порядков меньше по сравнению со значениями, при- веденными в ГОСТ 21482-76, и приблизительно равны ампли- туде торцового биения гребня 60 мкм. При таких амплитудах перемещений сильфоны не разрушались. Этот результат под- тверждается также расчетами по МКЭ распределения эквива- лентных по Мизесу напряжений в поперечных (рис. 2, а) и в наиболее напряженном (рис. 2, б) сечениях сильфона, изготовленного из стали марки 36НХТЮ. Эта сталь имеет предел текучести тσ = 1300 МПа, временное сопротивление вσ = 1450 МПа и температур- ный коэффициент линейного расширения 16,6 × 10-6 °C-1 при температуре 20 °С [3]. Температура масла в корпусе подшипника считалась неизменной и принималась равной экспериментальному значению 110 °C. Видно, что максимальное напряжение намного меньше предела выносливости материала. Для за- данной марки стали отношение предела выносливости Rσ к максимальному напряжению maxσ в наибо- лее напряженном сечении сильфона по результатам расчета составило около 5. Рис. 1 – Распределение эквивалентных по Мизесу напряжений SEQV сильфона при циклическом нагружении PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Экспериментальные исследования циклической прочности и ударостойкости сильфонов выравнивающего устройства Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 1 81 а б Рис. 2 – Распределение эквивалентных по Мизесу напряжений SEQV сильфона (а) и зависимость SEQV в наиболее напряженном сечении от времени t (б) при циклическом нагружении Ударостойкость сильфона, заполненного маслом На рис. 3 представлены фотография деталей (а) и продольный разрез (б) экспериментального об- разца сильфона 34 × 4 × 0,25 ГОСТ 21482-76 с четырьмя гофрами. Этот сильфон подвергался испытани- ям на специально изготовленном ударном стенде рамной конструкции, содержащем копер. Использова- ние копра для удара позволило задавать различные интенсивности ударных нагрузок и проверять соот- ветствие испытуемого сильфона требованиям по ударостойкости. Испытания сильфона на ударостойкость проводились вплоть до потери его упругости. В процессе испытаний с помощью автоматизированного измерительного комплекса [5] осущест- влялось осциллографирование сигнала с датчика ускорения Д-14. Погрешность измерения ускорения торца сильфона при ударе не превышала 5 %. а б Рис. 3 – Фотография деталей (а) и продольный разрез (б) экспериментального образца сильфона: 1, 5 – жесткие торцы; 2 – сильфон; 3 – пружина; 4 – шарик Было установлено, что при ускорении около 289 м/с2 сильфон полностью восстанавливает свою форму, которую он имел до удара. Этот результат подтверждается также расчетами напряжений сильфо- на при ударе, представленными на рис. 4. Видно, что максимальное значение напряжения по Мизесу меньше предела текучести тσ = 1300 МПа для данной марки стали. При ударном нагружении сильфона с ускорением около 336 м/с2 он полностью потерял свою форму, что подтверждается сравнением фотографий образца до и после удара, представленных на рис. 5. Расчеты ударостойкости сильфона приводят к потере его упругости при ускорении 350 м/с2. Это значение ускорения незначительно отличается от экспериментального (расхождение не превышает 4 %). Следовательно, получено хорошее совпадение теории и опыта. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Экспериментальные исследования циклической прочности и ударостойкости сильфонов выравнивающего устройства Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 1 82 Рис. 4 – Распределение эквивалентных по Мизесу напряжений SEQV сильфона при ударе а б Рис. 5 – Фотография образца сильфона до (а) и после (б) удара Выводы 1. Выполненные экспериментальные исследования показывают, что МКЭ адекватно описывает динамические процессы, протекающие в сильфонах ГВУ при торцовых биениях гребня и ударном на- гружении. Расхождение между теоретическими и экспериментальными результатами находится в преде- лах погрешности измерений и не превышает 5 %. 2. Теоретические и экспериментальные исследования подтверждают целесообразность примене- ния гидравлического выравнивающего устройства с разгружающими сильфонами в упорных подшипни- ках скольжения судовых турбомашин. Литература 1. Хлопенко Н.Я., Гаврилов С.А. Ударостойкость сильфонов выравнивающего устройства упор- ного подшипника // Проблеми трибології (Problems of Tribology). – 2009. – № 1. – С. 85-90. 2. Хлопенко Н.Я., Гаврилов С.А. Циклическая прочность и жесткость сильфонов выравниваю- щего устройства упорного подшипника // Проблеми трибології (Problems of Tribology). – 2009. – № 2. – С. 58-61. 3. Андреева Л.Е. Упругие элементы приборов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М: Машиностроение, 1981. – 392 с. 4. Романовский Г.Ф., Хлопенко Н.Я. Динамика упорных подшипников скольжения судовых тур- бомашин: Монография. – Николаев: НУК, 2007. – 140 с. 5. Хлопенко Н.Я., Гаврилов С.А. Автоматизированный измерительный комплекс для мониторин- га рабочих процессов в упорных подшипниках скольжения судовых турбомашин // Проблеми трибології (Problems of Tribology). – 2007. – № 1. – С. 18-22. 6. Хлопенко Н.Я., Гаврилов С.А. Экспериментальные исследования эффективности работы вы- равнивающего устройства с разгружающими сильфонами // Судовые энергетические установки. – Одес- са: ОНМА, 2010. – № 25. – С. 33-38. Надійшла 12.01.2012 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com