CC BY
13
УДК 539.3 + [620.22 + 620.172] - 621.22-762
О.В. Кропоткин, O.V. Kropotin, e-mail: krnpotin@maiI.ru
Ю.К. Машков, Yu. К. Mashkav,e-mail: physics@omgtu.ru
*С.В. Шшъко, S.V. Shi!ко, e-mail: shilko_mpri@mail.ru
ЕЛ. Стрижах, Е.А. Snzhak, e-mail: strizhIO@mail.ru
О.В. Мадий, O.V.Malij, e-mail :malij_olga@mail.m
Омский государственный технический университет, г. Оме el. Россия
Omsk State Technical University, Ornik, Russia
* Институт механики металпополимерных систем им. В.А. Белого НАН Беларуси, г. Гомель, Беларусь
V A Belyi Metal Polymer Research Institute of National Academy of Sciences of Belarus, Gomel. Belarus
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ВЯЗКОУПРУГОСТИ ПТФЭ-НАНОКОМПОШТА НА ПАРАМЕТРЫ КОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ГЕРМЕТИЗИРУЮЩЕМ УСТРОЙСТВЕ
.AN ALYSIS INFLUENCE OF YISCOELASTICITY PTFE NAXOCOMPOSITES 0> THE PARAMETERS OF FHE CONTACT INTERACTION INTHESEALINGDEYICE
Исследовано влияние вюкоупругнх свойств ПТФ"Э-нанокомпознта на параметры взаимодействия уп-лотннтельного элемента н контактной поверхности в герметизирующем устройстве.
The influence of viscoelasticir>r of PTEE-nano composite on the parameters of contact interaction in sealing device has been studied.
77
Ключевые слова: герметизирующее устройство, контактное взаимодействие, вяшщ/гфугоапъ, конеч-ноэлементное модвтр о strnus
Keywords: sealing device, contact iti terete tío», \iscoelasticity, finite element modelling
При разработке конструкций металлополимерных герметизирующих устройств (ГУ) в качестве параметров оптимизации необходимо учитывать параметры напряженно-деформированного состояния (НДС) и контактного взаимодействия полимерного уплотни-тельного элемента с металлической контактной поверхностью, учитывая при этом их временную зависимость [1-3]. Указанные параметры определяют степень герметичности, надежность и долговечность ГУ [1,3]. Временная 'зависимость параметров НДС в объеме и на контактной поверхности элементов сопряжения, помимо формоизменения элементов ГУ вследствие изнашивания, обусловлена выраженными реологическими свойствами (вязкоуп-рутостью) полимеров и композитов на их основе. Обусловленные вязкоупругоегью релаксация напряжении и ползучесть в условиях сложного напряженно-деформированного состояния уптотнительного элемента, могут существенно изменить степень герметичности устройства при эксплуатации мегаллополимерного ГУ [4, 5].
В работе исследовался процесс релаксации напряжений в нанокомпозите на основе ПТФЭ с наполнителем следующего состава: скрытокристаллический графит 9,0 %. дисульфид молибдена 0..75 %, углеродные нанотрубки 1,25 % [5]. Термообработку ПТФЭ-нанокомпозита осуществляли в условиях объемного ограничения теплового расширения [6].
Изучение вязкоупрутнх свойств указанного выше нанокомпозита проводили на установке DMA242C путем получения: релаксационных кривых в условиях одноосного статического растяжении при температуре 27 °С и относительной деформации образца е — 0,34 %.
Влияние вязкоупрутости нанокомпозита на параметры контактного взаимодействия в сопряжении изучали на примере радиального ГУ пары вращательного движения (рис. 1); разработанного для поддерживающего катка многоцелевых гусеничных машин [7]. Для изготовления уптотнительного элемента этого ГУ использовался указанный выше ПТФЭ-нанокомпозит.
При конечно элементном моделировании ГУ использовали классическое представление теории вязкоупрутости в виде модели Максвелла с описанием релаксирующего модуля Юнга аппроксимирующей последовательностью Прони:
где Et - коэффициенты, определяющие вклад каждого релаксационного процесса; Е^ = E(t = cc) - равновесный (релаксированньш) модуль; ъ - времена релаксации; t - время: по -количество элементов модели.
Реологические константы, входящие в уравнение (1)? могут быть найдены при помощи различных методов идентификации по экспериментальным данным [8], в данной работе они были определены с использованием алгоритмов регрессионного анализа.
Ранее в работе [7] при оптимизации конструктивных параметров радиального ГУ (рис. 1) авторами были определены приближенно эффективные (приближенно паретовскне) точки по наиболее важным критериям [9].
Влияние вязкоупрутости ПГФЭ-нанокомпозита на параметры контактного взаимодействия в ГУ изучали на имитационной конечноэлементной модели устройства, построенной в программном комплексе ANSYS. Задавались различные значения модуля Юнга, а именно, значение, полученное из механических испытаний Ер и значение модуля Еж в модели (1).
(1)
На рис. 2 приведены распределения контактного давления на уплотняемой поверхности для двух приближенно паретовских точек при указанных значениях модуля Юнга.
Рнс. 2. Зависимость контактного давления на уплотняемой поверхности от осевой координаты s (см. рнс. 1) для конструкции, соответствующих приближенно паретовскнм точкам № 1 н № 2: 1,2 - Е = Ер; Г, 2' — Е = Ее
Установлено, что обусловленная вязкоупругосгью ПТФЭ-нанокомпозита релаксация напряжений в уплотнители он элементе вызывает уменьшение главного напряжения, а также увеличение эквивалентного напряжения. Для ряда вариантов конструкции ГУ существенно возрастает неравномерность распределения контактного давления по уплотняемой поверхности (кривые 2 и 2' на рис. 2). По результатам проведенного анализа определена конструкция ГУ, обеспечивающая: наиболее стабильные во времени значения критериев качества.
Библиографический список
1. Уплотнения и уплогнительная техника / Л. А. Кондаков [и др.]. - М. : Машиностроение, 1986. -464 с.
2. Finite element implementation and validation of wear modelling in sliding polymer-metal contacts / F. J. Martinez [et aL] // Wear. - 2012 - № 284-285 - P. 52-н54.
3. Kropotnr О V. Optimization of Design of Sealing Device Based on Criteria of Contact Interaction and Wear / О V Kropotm .7 Journal of Friction and Wear. -2013. - Vol. 34, № 5 . - P. 398—4-02.
4. Исследование релаксации напряженно деформированного состояния полимерных композиционных материалов на основе политетрафторэтилена / Ю. К. Машков [и др.] И Материаловедение. -2003. - № 12_ - С. 37-43.
5. Деформационные эффекты при работе уплотнений из полимерных композитов / С. В. Шилько, Т В. Рябченко, С. Л. Гавриленко. О. В. Кропогин // Актуальные вопросы машиноведения : сб. науч. тр. - Минск. 2013. - Вып. 2. - С. 401-404.
6. Кропотин, О. В. Создание полимерного антифрикционного нанокомпозита на основе политетрафторэтилена с повышенной износостойкостью / О. В. Кропотин. Ю. К. Машков, О. А. Кургузова Н Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии - 2013. — №2(120).-С. 86-90.
7. Оптимизация конструкции герметизирующего устройства с использованием метода исследования пространства параметров / О. В. Кропотин [и др.] /У Омский научный вестник. Сер Приборы, машины и технологии. - 2013. -Ке 3 (123). - С. 101 - 104.
В. Гаврил енжо3 С. Л. Идентификация линейной вязкоупрутой модели Прони по результатам испытаний на релаксацию при сжатии / С. Л. Гавриленко, С. В. Шилько // Теор. и прикл. механика : ыеждунар. науч.-техн. сб. - Минск, 2014. - Вып. 29. — С. 219—223.
9. Соболь, И. М. Выбор оптимальных параметров в задачах со многими критериями И. М. Соболь, Р. Б. Статннков. -М. : Наука, 1981.-110 с.
