CC BY
10
УДК 621.22
О.В. Кропотин, *В.П. Пивоваров, **С.В. Шилько
Омский государственный технический университет, г. Омск
*Омский танковый инженерный институт имени Маршала Советского Союза
П.К. Кошевого, г. Омск
**Институт механики металлополимерных систем им. В.А. Белого Национальной Академии наук Беларуси, г. Г омель
ФОРМОИЗМЕНЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ УПЛОТНЕНИЯ ПОДВИЖНОГО СОЕДИНЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ ТРЕНИЯ
Обеспечение требуемых надежности и ресурса герметизирующих устройств (уплотнений) предполагает разработку оптимальной конструкции и оптимальный выбор применяемых материалов. В существующих общих подходах и методиках проектирования подвижных герметизирующих устройств используются комплексные показатели их работы или несколько показателей одновременно [1, 2]. Как правило, эти показатели зависят от начальных значений параметров режима эксплуатации и характеристик материалов или, в лучшем случае, учитывают временную зависимость лишь некоторых из них. В то же время, например, высокая герметичность в начале эксплуатации зачастую не обеспечивает наибольшего ресурса устройства, а формоизменение уплотнительных элементов в процессе изнашивания может привести к существенному изменению параметров, характеризующих герметичность и прогнозируемые надежность и долговечность.
Решить эти проблемы, на наш взгляд, позволит выработка критериев выбора материалов и параметров конструкции, учитывающих изменение герметичности и напряженно-деформированного состояния элементов устройства в процессе эксплуатации в условиях фрикционного взаимодействия.
Объектом исследования является поршневое комбинированное уплотнение пневмогидроцилиндра кольцевого типа с уплотняющим элементом в виде кольца круглого сечения (рис. 1). Данная конструкция использовалась ранее в работе [3] и содержит уплотнительный элемент в виде кольца из полимерного композиционного материала (ПКМ) на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) и силовой элемент в виде резинового кольца, поджимающего губку уплотнительного элемента к уплотняемой поверхности.
В качестве расчетного метода в работе выбран метод конечных элементов, а в качестве программного средства - комплекс АКБУБ. Для расчетов использовали осесимметричную модель ГУ. На каждом этапе расчетов, который характеризуется соответствующим уровнем нагружения уплотняющего элемента, решали задачу напряженно-деформированного состояния уплотняющего и силового элементов, получали распределения контактного давления по
375
уплотняемой поверхности, выполняли расчеты градиента контактного давления по уплотняемой поверхности.
Рис. 1. Герметизирующее устройство (а - осевое сечение, б - внешний вид):
1 - уплотняющее кольцо из ПКМ; 2 - резиновое кольцо;
3 - направляющее кольцо из ПКМ; 4 - корпус поршня
а
б
Учет формоизменения уплотняющего элемента в процессе трения производили следующим образом: после определенного количества циклов (ходов) возвратно-
поступательного движения цилиндра изменяли геометрические параметры уплотняющего элемента в соответствии с результатами расчетов линейного износа (рис. 2), полагая величину износа пропорциональной контактному давлению. Подобный подход использован в работе [4].
Расчет перетечек жидкости в полость, заполненную газом, проводили как при возвратно-поступательном движении, так и в статическом состоянии поршня в процессе хранения пневмогидроцилиндра с сохранением эксплуатационных параметров нагружения.
Методика выбора материалов для уплотняющего элемента ГУ включала анализ параметров контактного взаимодействия и напряженно-деформированного состояния элементов ГУ, а также наработку до достижения критического значения удельной утечки (переход в следующий класс негерметичности) с контролем возможного достижения критического расхода герметизируемой среды (жидкости). Для обоснования выбора ПКМ использовались различные физико-механические и триботехнические характеристики материалов [1, 5, 6], в том числе материалы, разработанные под руководством Ю.К. Машкова: Ф4УВ6Г8М2 (84 % ПТФЭ, 6 % углеродного волокна, 8 % скрытокристаллического графита, 2 % дисульфида молибдена) и Ф4Г10 (90 % ПТФЭ, 10 % скрытокристаллического графита, метод спекания в зажимах с ограничением теплового расширения [7]).
Проведенная верификация расчетной модели при использовании материала уплотняющего элемента Ф4УВ6Г8М2 показала приемлемые для оценочных расчетов результаты:
- расчетное значение объема перетечек жидкости в газовую полость составило 42,7 см3 за 2000 циклов и отличается от значения, полученного в ходе стендовых испытаний (30 см3) на 42 %;
- расчетное значение массового износа уплотняющего элемента составило 7,1мг за 2000 циклов и отличается от значения, полученного в ходе стендовых испытаний (8,87 мг) на 20 %.
376
Рис. 2. Схема учета формоизменения уплотняющего элемента в процессе трения
Проведенный с использованием расчетной модели анализ напряженно-деформированного состояния элементов устройства и влияния на него характеристик физикомеханических свойств материалов показал следующее.
В процессе перемещения цилиндра и увеличения давлений разделяемых сред для некоторых ПКМ возможно превышение возникающих в материале напряжений и (или) деформаций их предельных значений (Флубон-20 и НАМИ-ФБМ).
В ходе деформирования уплотняющего кольца, выполненного из ПКМ, в нем возникают в зависимости от физико-механических свойств напряжения в среднем до 25 - 30 МПа и деформации около 0,25. Удельные перетечки за 2000 циклов (V), соответствующий класс не-герметичности (К1) в соответствии с классификацией [1], массовый износ уплотняющего элемента за 2000 циклов (т), удельные перетечки в статическом состоянии ^) и соответствующий класс негерметичности (К2) для некоторых из исследованных материалов приведены в табл. 1.
Параметры, характеризующие износ и степень герметичности устройства Таблица 1
Материал V, см3/м2 К1 т, мг Q•10'4, мм3/(м-с) К2
Криолон-5 0,156 2-2 3,7 2,25 1-1
Ф4УВ6Г8М2 0,292 3-1 7,1 2,07 1-1
Ф4Г10 0,227 3-1 19,5 2,03 1-1
Как следует из приведенных в табл. 1 данных, при работе рассматриваемого уплотнения как уплотнения неподвижного соединения (статическое состояние цилиндра) наименьшие перетечки Q возникают при использовании материала Ф4Г10, однако данный материал характеризуется наибольшей интенсивностью изнашивания и, как следствие, значительным массовым износом. За расчетное количество циклов удельные перетечки V принимают наименьшее значение при использовании материала Криолон-5, однако относительно большое значение модуля Юнга данного материала приводит к наибольшим из рассматриваемых ма-
377
териалов перетечкам в статическом состоянии. Тем не менее, достаточно высокая степень герметичности в стационарном состоянии позволяет рекомендовать именно этот материал для изготовления уплотняющего элемента. Наработка до перехода в следующий класс не-герметичности (из класса 2-2 в класс 3-1) составила 1760 циклов для Ф4Г10 и 1370 циклов для Ф4УВ6Г8М2. Для материала Криолон-5 класс негерметичности 2-2 сохраняется в течение 2000 циклов. Следует отметить, что ни для одного из рассмотренных материалов не бы-
ло превышено значение критического расхода уплотняемой среды.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 12-08-98022-р_сибирь_а
Библиографический список
1. Уплотнения и уплотнительная техника [Текст] : справочник / Л. А. Кондаков [и др.] ; под общ. ред. А. И. Голубева и Л. А. Кондакова. ПМ. : Машиностроение, 1994. - 445 с.
2. Ереско, С. П. Математическое моделирование, автоматизация проектирования и конструирование уплотнений подвижных соединений механических систем [Текст] / С. П. Ереско. - М. : Изд-во ИАП РАН, 2003.
3. Кропотин, О. В. Разработка элементов герметизирующих устройств трибосистем и анализ их напряженно-деформированного состояния с использованием метода конечных элементов [Текст] / О.В. Кропотин, Ю.К. Машков, В.П. Пивоваров // Трение и износ. - 2004.
- Т. 25, № 5.- С. 461-465.
4. Weber, D. Wear behaviour of PTFE lip seals with different sealing edge designs, experiments and simulation [Текст] / D. Weber, W. Haas // Sealing Technology. - February 2007, February . - P. 7-12.
5. Композиционные материалы на основе политетрафторэтилена. Структурная модификация [Текст] / Ю. К. Машков [и др.]. - М. : Машиностроение, 2005. - 239 с.
6. Машков, Ю. К. Разработка и оптимизация новых материалов и технологий для металлополимерных узлов трения микрокриогенной техники с использованием структурного анализа и термодинамических критериев [Текст] : дис. ... д-ра техн. наук / Ю. К. Машков. -Омск, 1990. - 387 с.
7.Структурная модификация политетрафторэтилена скрытокристаллическим графитом [Текст] / Ю. К. Машков [др.] // Физическая мезомеханика. - 2007. - Т. 10, № 6. - С. 109-114.
