CC BY
52
скорейшему образованию пленки фрикционного переноса на этапе приработки [3].
С целью улучшения условий приработки пары трения и исключения образования рисок исследовали влияние нанесения порошкообразного дисульфида молибдена на рабочую поверхность цилиндров перед ионной имплантацией. Для этого после операции травления поверхность трения цилиндров натирали порошком дисульфида молибдена и подвергали ионной бомбардировке. Находящийся на поверхности MoS2 под воздействием ускоренных ионов частично имплантируется в поверхность методом атомов отдачи, другая часть MoS2, за счет адгезионного взаимодействия закрепляется на поверхности. Благодаря этому дисульфид молибдена сохраняет свойства твердой смазки и улучшает условия приработки манжет с имплантированными цилиндрами.
Испытание обработанных таким образом цилиндров на стенде при перепадах давления от 2,0 до 6,0 МПа показали, что приработка проходит нормально, рабочие поверхности после испытаний не имеют никаких повреждений, в том числе рисок, покрыты пленкой фрикционного переноса, содержащей имплантированную медь. Хорошие результаты дает также имплантация циркония [4].
Таким образом, полученные результаты позволяют успешно использовать технологию ионной имплантации при изготовлении конструктивно сложных комбинированных уплотнений, обеспечивая им
чрезвычайно важный этап функционирования — приработку, что должно способствовать в дальнейшем высокой работоспособности и сохраняемости.
Библиографический список
1. Пат. РФ № 2266454. Торцовое уплотнение/ А.П. Бол-штянский, О.А.Мамаев, В.Р. Эдигаров, Н.Г. Макаренко; — Заявка № 2004117255. Заявлено 07.06.2004. Опубл. 20.12.2005. -Бюл. № 35.
2. Бакли Д. Поверхностные явления при адгезии и фрикционном воздействии — М: Машиностроение-1986.- 360 с.
3. Blesman A. I., Gladenko A. A., Mashkov Y. K. Increas of wear resistance of metal — polymeric friction nodes by ion — beam implantation method. — 10 Intern. Conf. on Surface modification by Ion Beams: Gatlinburg,USA — 1997, p. 168.
4. Блесман А. И., Байбарацкая М.Ю., Модифицирование металлических поверхностей трения с целью повышения износостойкости пар трения. — Трение и износ, № 4, Т. 19, 1998. — С. 448 — 453.
БОЛШТЯНСКИЙ Александр Павлович, доктор технических наук, профессор кафедры «Гидромеханика и транспортные машины».
СУРИКОВ Валерий Иванович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой физики.
Дата поступления статьи в редакцию: 06.11.2007 г. © Болштянский А.П., Суриков В.И.
УДК 62.762:621.002:62.82
В. И. СУРИКОВ
Омский государственный технический университет
АКТИВНЫЕ РАДИАЛЬНЫЕ УПЛОТНЕНИЯ ВАЛОВ И ШТОКОВ КРУПНЫХ ГИДРОМАШИН ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ
В работе рассматриваются перспективные конструкции радиальных уплотнений для крупных гидромашин с применением в качестве материала уплотнителя наполненных полимеров. Показано, что основное свойство полимера для подобных конструкций — упругость — может быть получено путем модификации политетрафторэтилена.
Одной из проблем высокой работоспособнос- время находиться в дежурном режиме ожидания
ти гидравлической техники является надежность или в условиях консервации, но при приведении их в
и сохраняемость уплотнительных узлов. Данное рабочее состояние должны обеспечить нормативную
обстоятельство особенно актуально для крупных работоспособность и ресурс работы. машин периодического действия, используемых В последнее время в качестве уплотнителей
в аварийных ситуациях систем МЧС, обслуживания гидромашин появилось стремление использовать
нефтепроводов и т.д. Эти машины могут длительное полимерные композиционные материалы (ПКМ) на
Рис. 1. Активное уплотнение вала гидромашины с управляемым контактным давлением: 1. Корпус. 2. Уплотнитель. 3. Металлическая арматура. 4. Выступ постоянного контакта. 5. Вал гидромашины. 6. Экспандер постоянного натяга. 7. Регулируемый выступ уплотнителя. 8. Пружина. 9. Сердечник электромагнита. 10. Обмотка электромагнита. 11. Система питания электромагнита
основе политетрафторэтилена (ПТФЭ), которые по сравнению с эластомерами на основе каучука обладают такими преимуществами, как высокая твердость и модуль упругости, работоспособность во многих агрессивных средах, низкий коэффициент трения и изнашиваемость, низкая газо- и влагопроницаемость и др. [1, 2].
Однако, как отмечают авторы [1], ПКМ присущи и недостатки, связанные с пониженной по сравнению с эластомерами герметизирующей способностью, ползучестью под нагрузкой (хладотекучестью), возможностью разгерметизации вследствие большого различия между температурными коэффициентами линейного расширения ПКМ и металла — контртела.
Снижение указанных недостатков ведется в двух направлениях — создание новых ПКМ путем использования оригинальных технологий их получения и применения различных модификаторов и имплантов (см., например, [3, 4 и др.], а также созданием уплот-нительных узлов, в которых эти недостатки нивелируются различными конструктивными мероприятиями [5-7 и др.].
Один из вариантов такой конструкции, изображенный на рис. 1, работает следующим образом. Во время стоянки или хранения объекта, в котором установлено описываемое уплотнение, его необходимая герметизирующая способность обеспечивается за счет минимального усилия, оказываемого пружиной 6 на материал уплотнителя 2 в зоне выступа 4. При этом достигается минимально необходимое контактное давление в зоне касания выступа 4 и вала 5, что обеспечивает отсутствие диффузии более мягкого материала уплотнителя 2 в поверхность вала 5 и, соответственно, отсутствие явлений вырыва из поверхности уплотнителя 2 частиц материала в момент начала вращения вала 5.
В это же время на обмотки электромагнитов 10 ток не подается, и пружина 8 находится в свободном состоянии, не сжимает уплотнитель в зоне выступа 7, в связи с чем между выступом 7 и поверхностью вала 5 существует зазор 8 > 0.
В таком состоянии уплотнение может находиться длительное время практически без изменения своей уплотняющей способности.
В момент начала вращения вала 5 или непосредственно перед этим моментом оператор включает обмотки электромагнитов 10, в результате чего сердечники 9 втягиваются в обмотки 10 электромагнитов с силой, определяемым параметрами электромагнитов. Эта сила стягивает виток пружины 8, в результате чего появляется усилие, прижимающее выступ 7 к поверхности вала 5, зазор 8 исчезает, появляется натяг, который достаточен для того, чтобы обеспечить высокую герметизирующую способность уплотнения практически независимо от состояния уплотнителя 2, эластичность которого меняется как в зависимости от температуры, так и из-за естественного старения его материала.
По мере старения материала уплотнителя 2 изменяются его упругие свойства (материал становится менее эластичным и менее податливым). Эти свойства зависят также от температуры механизма, в котором установлено уплотнение (чем ниже температура, тем менее эластичным становится материал). В связи с этим в цепь питания обмоток электромагнита может быть установлен переменный резистор (на рисунке не показан) с учетом фактического состояния уплотнения и параметров внешней среды.
После остановки вращения вала 5 оператор отключает электромагниты, ток в их обмотках, силы со стороны сердечников 9 становятся равными нулю, и, благодаря упругим свойствам пружины 6, она расправляется, восстанавливается зазор 8 > 0.
В том случае, когда используется один электромагнит 10 с сердечником 9, один свободный конец пружины 6 соединяется с сердечником 9, а другой закрепляется на корпусе 1. Такая конструкция работает аналогично выше описанной и специального пояснения не требует.
Очевидно, что для успешной работы такого рода уплотнений требуются ПКМ, обладающие вполне определенными качествами, среди которых важнейшим являются упругие свойства материала, которые могут быть получены путем модифицирования.
В связи с варьированием состава и структуры полимерных композитов при их модифицировании большое значение приобретает проблема прогнозирования их механических, теплофизических и других эксплуатационных свойств. Эта проблема непосредственно
■ -эксп еримект при Т = 300 К
1 ..
4 3 /
о
20
40
60
чЛ%
Рис. 2. Концентрационные зависимости нижней границы приведенного модуля сдвига для «жесткого» (кривые 1, 2) и «мягкого» (кривые 3-5) наполнителей ПКМ:
1, 3 - сА = 0,01; 2, 4 - сА = 1; 5 - сА = 0,8; (сА - параметр, характеризующий степень взаимодействия фаз)
связана с моделированием микронеоднородных сред и определением эффективных характеристик этих сред в рамках той или иной модели. Обзор работ, посвященных этим вопросам в такой постановке, приведен, например, в [8]. Наибольшее распространение получили модели малых концентраций, самосогласованного поля, полидисперсная структурная модель и др.
Приведенные модели могут быть использованы для целей прогнозирования упругих характеристик композиционных, в том числе наполненных полимерных материалов. Вместе с тем возможность применения подобных моделей к высоконаполненным, а также многокомпонентным полимерным материалам (каковыми являются наполненные кристаллические полимеры) проблематична, — они могут быть применимы преимущественно к матричным двухкомпонентным композитам. Кроме того, модели не учитывают ни адгезионные, ни перколяционные эффекты. В связи с этим большой интерес для целей прогнозирования представляет модель Жикова [9].
Авторами проанализирована возможность применения модели Жикова к прогнозированию упругих свойств кристаллических полимеров. В качестве объектов исследования выбраны политетрафторэтилен (ПТФЭ), наполненный бронзовым мелкодисперсным порошком (БП), а также линейный ароматический полиимид марки ПМ-69, наполненный углеродным наполнителем в виде дисперсного графита (ГР).
На рис. 2 показаны результаты расчета по модели [9] нижней границы приведенного модуля сдвига для «жесткого» (С[/ОП = 23,5) и «мягкого» (ОН/ОП = 7,6) наполнителей при хорошем (Омфс/Оп = 1) и плохом (СМФС/СП = 0,01) адгезионном взаимодействии фаз.
При расчетах в качестве входных данных выбирали значения динамических модулей упругости полимерных матриц Е'0 и О'0, полученные экспериментально. В качестве значений модулей упругости БП принимали табличные значения модулей бронзы марок, близких по составу к марке ОС-15-5, а для графита — в соответствии с техническими условиями; значения коэффициента Пуассона V составляли 0,34 (для ПТФЭ), 0,30 (для ПМ-69) и 0,25 для наполнителей.
Из рис. 2 видно, что в случае «жесткого» наполнителя нижняя граница значений О'/О0 слабо зависит от параметра адгезионного взаимодействия оА, в особен-
ности при малом содержании наполнителя, и примерно соответствует нижней границе двухфазной системы. В случае «мягкого» наполнителя нижняя граница значений G'/G0 очень чувствительна к сА и может заметно отличаться от нижней границы двухфазной системы (кривая 3). Путем подбора параметра сА можно получить хорошее согласие расчетных и экспериментальных значений приведенного модуля сдвига (кривая 4). Для системы ПМ-69 — ГР значение сА близко к единице и составляет 0,8, что может свидетельствовать о хорошей адгезии графита к полимеру.
Возможность учета в модели [9] влияния на эффективные характеристики одновременно нескольких компонент открывает хорошие возможности для прогнозирования упругих свойств многокомпонентных ПКМ.
Таким образом, имеются реальные предпосылки для формирования конструкций активных уплотнений крупных гидромашин с использованием ПКМ, обладающих достаточными упругими свойствами.
Библиографический список
1. Уплотнения и уплотнительная техника: Справочник/ Л.А. Кондаков, А.И. Голубев, В.Б. Овандер и др.; Под общ. ред. А.И. Голубева, Л.А. Кондакова. — М.: Машиностроение, 1986. - 446 с.
2. Полимеры в узлах трения машин и приборов: Спра-вочник/А.В. Чичинадзе, А.Л. Левин, М.М. Бородулин, Е.В. Зиновьев; Под общ. ред. А.В. Чичинадзе. — М.: Машиностроение, 1988. — 328 с.
3. Машков Ю.К. Трибофизика и свойства наполненного фторопласта. — Омск: Изд — во ОмГТУ, 1997. — 192 с.
4. Особенности влияния армирующего углеродного волокна «Урал Т—10» на структуру и некоторые физико — механические свойства политетрафторэтилена /О.В. Кропотин, Вал.И. Суриков, Вад.И. Суриков, Ю.К. Машков //Трение и износ. — 1998. — Т. 19, № 4. — С. 493 — 497.
5. Пат. РФ № 2267044. Уплотнение вала/ О.А Мамаев, В.Р. Эди-гаров, А.П. Болштянский, Н.Г. Макаренко. Заявка № 2004117258; Заявлено 07.06.2004, опубл. 27.12.2005.— Бюл. № 36.
6. Пат. № 2267678. Радиальное уплотнение вала/ О.А. Мамаев, В.Р. Эдигаров, А.П. Болштянский, Н.Г. Макаренко. Заявка № 2004117256. Заявлено 07.06.2004. Опубл. 10.01.2006. — Бюл. № 01.
7. Пат. РФ № 2266454. Торцовое уплотнение. / О.А. Мамаев, В.Р. Эдигаров, А.П. Болштянский, Н.Г. Макаренко. Заявка 2004117255. Заявлено 07.06.2004. Опубл. 20.12.2005. — Бюл. № 35.
8. Гольдман А.Я. Прогнозирование деформационно—прочностных свойств полимерных и композиционных материалов. — Л.: Химия, 1988. — 272 с.
9. Жиков В.В. Об оценках усредненной матрицы и усредненного тензора // Успехи математических наук. — 1991.— Т. 46, № 3.— С. 49 — 56.
СУРИКОВ Валерий Иванович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой физики.
Дата поступления статьи в редакцию: 06.10.2007 г. © Суриков В.И.
