CC BY
37
Суханкин Андрей Александрович - Syhankin Andrey Aleksandrovicy -
аспирант кафедры «Автомобили post-graduate student of «Automobiles
и автомобильное хозяйство» and automobile sector»
Саратовского государственного of Saratov State Technical University технического университета
Статья поступила в редакцию 11.05.2011, принята к опубликованию 24.06.2011
УДК 629.113.004.67
А.С. Денисов, И.Г. Иванов
ИЗМЕНЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ САЛЬНИКА ПОД ВЛИЯНИЕМ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ
В режиме постоянной деформации, в котором работает большинство уплотнений, протекает непрерывный процесс снижения напряжения до его равновесного значения - релаксация напряжения. Скорость накопления остаточной деформации характеризуется значением относительной остаточной деформации. Время химической релаксации напряжения резин формально подчиняется закону Аррениуса. Чем выше температура, тем меньше время протекания процесса. В процессе эксплуатации уплотнения наблюдается износ вала и губки уплотнения, который описывается дифференциальным уравнением скорости изнашивания.
Техническое состояние, эксплуатационные факторы, скорость изнашивания
A.S. Denisov, I.G. Ivanov
CHANGE IN STATUS UNDER THE INFLUENCE OF PACKING OF OPERATING FACTORS
In the constant strain, which runs most of the seals, runs a continuous process to reduce the voltage to its equilibrium value - the relaxation of tension. The rate of accumulation of residual strain is characterized by the value of relative residual deformation. The chemical stress relaxation of rubbers formally obeys the Arrhenius law. The higher the temperature, the less time the process. In the operation of the shaft seal wear occurs and the sponge seal, which is described by the differential equation the rate of wear.
Status under, operating factors, rate of wear
Ресурс сальников зависит от нагрузочного, скоростного и теплового режимов работы. В зависимости от характера использования агрегата ресурс сальника может измеряться в тыс. км пробега автомобиля или в тыс. ч работы агрегата. В первом случае ресурс определяется в основном процессами изнашивания сопряжения, а во втором - в основном процессами изменения упругих свойств сальника во времени (старение).
Процессы установления равновесия, временной ход которых определяется перегруппировкой частиц под воздействием теплового движения, являются релаксационными.
В режиме постоянной деформации, в котором работает большинство уплотнений, протекает непрерывный процесс снижения напряжения до его равновесного значения - релаксация напряжения, для описания которого используют экспоненциальное уравнение Хи-веленда [1, 3]:
(1)
а = ипе
где оо - исходное напряжение; а - константа скорости процесса релаксации.
Скорость накопления остаточной деформации характеризуется значением Н, относительной остаточной деформацией:
е Ь — Ь
Н = ^ = о 2 (2)
е Ьо — К'
где &ост = (Ьо - Ь2)/ЬТ - остаточная деформация; Ь2 - высота образца после снятия нагрузки; Ьо - исходная высота образца; Ьт - текущее значение высоты образца.
В качестве первого допущения при обосновании формы зависимости Н от т принимаем линейный характер зависимости скорости остаточной деформации (Ш/(Ь от напряжения
йН
— Ьо
(3)
где Ь - коэффициент пропорциональности.
С учётом уравнения (1) [1, 3] запишем
- =
(4)
(5)
(6)
Постоянную интегрирования Си определим из начальных условий: при т = 0 ^ Н =
0, откуда Си=Ьооа, тогда
Н = Ьа9а-Ьа9ав~ат= Ьаша(1 - е~ат) (7)
По физическому смыслу Ьа0а = Н0 - относительная остаточная деформация в начале эксплуатации (в конце приработки).
Скорость нарастания остаточной деформации в процессе эксплуатации зависит от температуры. При действии высоких температур на напряженные резиновые уплотнители резко ускоряются процессы химической релаксации напряжения, накопления остаточной деформации и снижения остаточной эластичности.
Время т химической релаксации напряжения резин формально подчиняется закону Аррениуса [1,3]
и/
т = Ве чп\ (8)
где В - константа скорости процесса; и - энергия активации; Я - постоянная Больцмана; Т - температура.
Чем выше температура, тем меньше время протекания процесса. Это означает, что при этом повышается скорость нарастания остаточных деформаций и снижается ресурс уплотнения.
В процессе эксплуатации уплотнения наблюдается износ вала и губки уплотнения. Для описания этого процесса составим дифференциальное уравнение скорости изнашивания. В качестве второго допущения примем то, что с ростом износа деталей сопряжения £ линейно снижается и давление в зоне трения, и скорость изнашивания V
(9)
г?о - ЬБ
где \0 - скорость изнашивания в конце приработки, приведённая к началу эксплуатации; Ь -изменение скорости изнашивания на единицу износа.
Поскольку V = й8/йт, решение дифференциального уравнения (9) при начальных условиях: 8=0 при т=0 даёт уравнение в виде
5 = 5,(1 - (Ю)
где - износ в начале эксплуатации (в конце приработки).
Износ сопряжения и остаточная деформация уплотнения приводят к повышению расхода жидкости через уплотнение, что и ограничивает его ресурс. Сравнивая зависимости (7) и (10), видим, что они имеют одинаковый характер. Следовательно, и расход жидкости через уплотнение в процессе эксплуатации (хранения) возрастает по экспоненциальной затухающей зависимости
(11)
где Q0 - расход жидкости в начале эксплуата- д мкм ции (в конце приработки).
Для проверки зависимости (10) были собраны статистические данные, после обработки которых была построен график зависимости износа поверхности вала под манжетное уплотнение от наработки. Из графика видно, что интенсивность изнашивания уплотнения снижается.
При сложившихся условиях эксплуатации автомобиля в качестве измерителя наработки т можно использовать пробег I. Для большинства машин и механизмов допустимая норма утечек рабочей жидкости составляет 0,5 см3/(м2ч) [2]. Используя это значение и обоснованную зависимость (11), можно прогнозировать остаточный ресурс уплотнения.
Если принять ресурс уплотнения при неработающем агрегате (режим хранения) за 100%, то при работе агрегата ресурс сокращается вследствие повышения температуры и изнашивания. В конкретных климатических условиях среднюю температуру работы уплотнения можно определить с учётом интенсивности эксплуатации автомобиля. Если при среднем статистическом режиме работы двигателя температура уплотнения составляет в среднем гр, то для средней температуры уплотнения гу можно записать
к- т ДОЧ? I тал^ь ц.1 п Л1- (ув5
7 » Г; ЛйЯ!
Рис. 1. Зависимость износа поверхности вала под манжетное уплотнение от наработки
гу = гс (1 - й)+г й,
(12)
где гс - средняя температура окружающей среды; й - доля времени работы двигателя.
Долю времени работы двигателя можно определить по среднесуточному пробегу автомобиля и средней скорости движения. Так, при среднесуточном пробеге автомобиля 200 км и средней скорости 40 км/ч время работы в сутки составит 5 ч, а доля времени работы двигателя 5/24 = 0,208. При неработающем двигателе (режим хранения) доля времени равна нулю и температура уплотнения равна температуре окружающей среды.
В таблице приведены значения доли времени работы двигателя и средней температуры уплотнения в зависимости от среднесуточного пробега. Для определения соотношения ресурса уплотнений при различных режимах использования автомобиля использовали данные исследования [1] по кинетике накопления остаточной деформации резиной при различных температурах.
По кинетике накопления остаточной деформации резиной была построена зависимость среднего темпа старения (накопления остаточной деформации) от температуры (рис. 2). По аппроксимирующему полиному второй степени было определено значение темпа старения при температуре 20оС. Поскольку ресурс уплотнения обратно пропорционален темпу старе-
43
ния, зависимость ресурса от температуры будет убывающей. Это отражено в таблице, где приведены значения относительного ресурса уплотнения. При этом за 100% принят ресурс неработающего уплотнения.
Значения параметров уплотнения в зависимости от интенсивности эксплуатации автомобиля
1сс 0 50 100 150 200 250 300 400 500 1000
d 0 0,052 0,104 0,156 0,208 0,26 0,313 0,416 0,521 0,83
ty 20 27,3 30,4 35,6 40,8 46 51,3 61,7 72,1 103,4
H' 0,35 0,4 0,53 0,7 0,8 1,0 1,2 1,5 1,75 3,5
T 100 87,5 66 50 43,8 35 29 23 20 10
Примечание: 1сс - среднесуточный пробег автомобиля, км; ё - доля времени работы двигателя в сутки, %; 1у - средняя температура уплотнения, оС; И' - средний темп прироста остаточной деформации, % в сутки; т - относительный ресурс уплотнения, %.
Для промежуточных значений среднесуточного пробега автомобилей при корректировании ресурса уплотнений можно использовать график, приведённый на рис. 3.
Таким образом, в процессе эксплуатации происходит закономерное изменение технического состояния сальниковых уплотнений вследствие процессов старения и изнашивания. Обоснованы типы зависимостей остаточной деформации, износа сальника от наработки, а также зависимости его ресурса от интенсивности эксплуатации автомобиля.
Рис. 2. Зависимость среднего темпа Рис. 3. Зависимость относительного
прироста остаточной деформации резины ресурса уплотнения
от температуры уплотнения от среднесуточного пробега
ЛИТЕРАТУРА
1. Аврущенко Б.Х. Резиновые уплотнители / Б.Х. Аврущенко. Л.: Химия, 1978. 136 с.
2. Бергштейн Л. А. Лабораторный практикум по технологии резины / Л. А. Бергштейн. Л.: Химия, 1989. 248 с.
3. Браун Д. Практическое руководство по синтезу и исследованию свойств полимеров / Д. Браун, Г. Шердрон, В. Керн. М.: Химия, 1976. 256 с.
Денисов Александр Сергеевич - Denisov Alexander Sergeevich -
Доктор технических наук, профессор, Doctor of Technical sciences, Professor,
заведующий кафедрой «Автомобили chair of «Automobiles and automobile sector»
и автомобильное хозяйство» of Saratov State Technical University
Саратовского государственного технического университета
Иванов Иван Геннадьевич -
аспирант кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство» Саратовского государственного технического университета
Статья поступила в
Ivanov Ivan Gennadjevich -
post-graduate student of «Automobiles
and automobile sector»
of Saratov State Technical University
дакцию 11.05.2011, принята к опубликованию 24.06.2011
УДК 658.52.011.56.012
В.А. Добряков
ФОРМАЛИЗАЦИЯ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СТАНКОВ
КАК ОБЪЕКТОВ КОНТРОЛЯ, ДИАГНОСТИРОВАНИЯ И ИСПЫТАНИЙ
Рассматривается формирование теоретических основ оценки технического состояния металлорежущих станков на этапах контроля, диагностирования и испытаний.
Металлорежущий станок, техническое состояние, система контроля, диагностирования и испытаний, программно-математическое обеспечение, диагностические параметры
V.A.Dobrjakov
FORMALIZATION OF THE ESTIMATION OF THE TECHNICAL CONDITION OF MACHINE TOOLS AS OBJECTS OF THE CONTROL, DIAGNOSING AND TESTS
Formation of theoretical bases of an estimation of a technical condition of metal-cutting machine tools at stages of the control, diagnosing and tests is considered.
Dynamic system, object of diagnosing, the monitoring system, diagnosing and tests, a pro-grammno-software, a technical condition, diagnostic parametres
Современные прецизионные металлорежущие станки (МРС) принадлежат к категории динамических систем (ДС). ДС - некоторая структура, представляющая собой совокупность взаимосвязанных элементов различной природы, предназначенная для выполнения определенных операций и осуществляющая направленный процесс преобразования во времени материи (вещества, энергии) и информации [1, 2].
Известно, что эффективность функционирования МРС зависит от их технического состояния. В процессе эксплуатации, если не применять специальных мер, техническое состояние МРС ухудшается. В связи с этим возникает проблема управления техническим состоянием станков, включающая следующие аспекты: рациональная организация контроля технического состояния, эффективные методы диагностирования и прогнозирования, определение моментов проведения технического обслуживания и профилактического ремонта (восстановления), надежные методы испытаний станков [3].
Практическое решение проблемы достигается путем разработки автоматизированной системы контроля и диагностирования (СКД), включающей соответствующие средства методического, аппаратного, метрологического и программно-математического обеспечения (ПМО), которые учитывают особенности объекта исследования.
