CC BY
0
УДК 62-567.1
К ВЫБОРУ МАРКИ РЕЗИНЫ ПРИ СЕРВИСНОМ ОБСЛУЖИВАНИИ АМОРТИЗИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ
В.Г. Мосур1, О.В. Шарков2
Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта (БФУ им. И. Канта),
Россия, 236016, г. Калининград, ул. А. Невского 14.
Выполнен сравнительный анализ эксплуатационных свойств резины различных марок для изготовления демпфирующих элементов механических амортизирующих устройств. В качестве критерия сравнения принята величина ресурса наработки до начала разрушения материала. Показано, что наибольшим ресурсом при циклическом наружении обладают упругие элементы из резины марки 51-1562 на основе изопренового каучука.
Ключевые слова: сервисное обслуживание, демпфирующий элемент, вибрация, разрушение, ресурс.
THE CHOICE OF RUBBER BRAND WHEN SERVICE PROCESSING OF SHOCK ABSORBING
DEVICES
V.G. Mosur1, O.V. Sharkov1
Immanuel Kant Baltic Federal University (IKBFU), Russia, 236016, Kaliningrad, A. Nevsky str., 14.
A comparative analysis of the performance properties of rubber of various brands for the manufacture of damping elements of mechanical shock-absorbing devices has been carried out. As a comparison criterion, the value of the resource before the start of material destruction was taken. It has been shown that elastic elements made of rubber grade 51-1562 based on isoprene rubber have the greatest resource during cyclic exposure.
Keywords: service processing, damping element, vibration, destruction, resource.
Снижение вибрационных и ударных нагрузок при работе различного технологического оборудования - актуальная проблема современной техники [1-5]. Одним из путей уменьшения вибрационных нагрузок является применение амортизатор различных конструктивных схем. По принципу действия амортизаторы можно разделить на механические (сухого трения), гидравлические (вязкого трения), электромагнитные, комбинированные и др. Механические амортизаторы [6-11] имеют достаточно простую конструкцию, в которой для гашения колебаний применяют металлические (пружины, рессоры) или неметаллические (резина, полиуретан, полиизобутилен) упругие элементы.
При изготовлении неметаллических демпфирующих элементов часто в качестве материала используют резину [10-14]. Резина является продуктом вулканизации каучука, который обладает небольшой себестоимостью, что и обусловило его частое использование в различных изделиях. В качестве примеров использования резиновых демпфирующих элементов можно назвать виброизоляторы вентиляторов типа ВР-200 [15], амортизаторы для корабельных систем и оборудования типа АКСС [16]. Резиновые демпфирующие элементы обладают рядом достоинств: простотой конструкции и технологии изготовления; высокой удельной энергоёмкостью; способностью к
значительным деформациям; нечувствительностью к воздействию пыли и воды. Среди недостатков таких элементов можно отметить следующие: различная величина статической и динамической жёсткости; возникновение остаточных деформаций при действии циклической нагрузки; отклонение свойств резины одной марки от номинального значения; чувствительность к температуре эксплуатации.
При проектировании резиновых демпфирующих элементов предпочтение следует отдавать литьевым маркам, так как они имеют низкий процент остаточной деформации при сжатии и сохраняют свойства при низких и высоких температурах в сравнении с вальцуемыми и термопластичными полиуретанами. В процессе эксплуатации и сервисного обслуживания амортизаторов возникает задача замены отработавших свой ресурс демпфирующих элементов. Выполним анализ возможности применения некоторых марок резин, при изготовлении демпфирующих элементов. К резинам (табл. 1), обладающим хорошей долговечностью в условиях циклического деформирования и диссипативного разогрева можно отнести марки на основе: изопренового каучука (51-1562); уре-танового каучука (СКУ-8); бутадиен-нитроль-ного каучука (ИРП1-1401).
1Мосур Владлен Григорьевич - кандидат технических наук, доцент института Высоких технологий, тел. +7(4012)59-55-85, e-mail: vmosur@kantiana.ru;
2Шарков Олег Васильевич - доктор технических наук, профессор института Высоких технологий, тел. +7(4012) 59-55-85, e-mail: osharkov@kantiana.ru.
К выбору марки резины при сервисном обслуживании ... Таблица 1 - Механические характеристики резины
Марка резины Статическое сжатие Динамическое сжатие
[сст ], МПа [s], % [с ДН ], МПа [s], %
ИРП-1401 0,6...0,710. 10.15 0,5 3.8
51-1562 0,8 30.40 0,3 10.15
СКУ-8 0,9.1,8 15.20 0,4 5.10
Опыт применения резиновых демпфирующих элементов в различных амортизирующих устройствах показывает, что резина, как материал, достаточно хорошо противостоит разрушающему воздействию различных повреждающих факторов (масла, технических жидкостей, озона, солнечной радиации и др.). Обычно, повреждение резиновых элементов при воздействии данных, а также механических факторов сосредотачиваются в поверхностном слое. Несмотря на это, основным фактором, влияющим на ресурс резиновых демпфирующих элементов, является диссипативный разогрев, величина которого влияет на окислительные процессы в резине и как следствие на скорость старения.
Точная количественная оценка эксплуатационных характеристик (прочности, несущей способности, долговечности и др.) резиновых демпфирующих элементов представляет собой сложную задачу, т.к. механические характеристики эластомеров могут изменяться в определенном диапазоне. Например, на величину модуля упругости резины оказывают влияние твердость, степень вулканизации, величина деформации и др. факторы. Причем особенностью технологического процесса изготовления резины является отклонение её физических и механических свойств от номинальных значений, даже для элементов одной партии, которые могут превышать 10.. .15 %.
Закон Гука, по которому модуль упругости E постоянная величина, а напряжение с пропорционально относительной деформации s для резины справедлив только для ограниченного диапазона деформаций. Согласно ГОСТ ISO 7743-2013 «Резина и термопласты. Определение упруго-прочностных свойств при сжатии» зависимость с = sE применима при деформации до 5 %, для больших величин деформации от 5 до 30 % необходимо использовать модифицированную зависимость cr = sE/(1 — s). При этом деформации при работе резиновых демпфирующих элементов могут достигать и больших значений. Отношение динамического модуля упругости к статическому может меняться в диапазоне от 1,18 до 2,0 и более [17].
Предел прочности при растяжении и относительное удлинение, которые часто приводятся в справочниках, на практике имеют ограниченное применение, т.к. эти величины достигаются
только в исключительных случаях - при разрушении изделия.
Обычно для каждого конкретного случая функционирования демпфирующих элементов используют свои приближенные зависимости. Так для резиновых демпфирующих элементов упругих муфт [18] допустимое напряжение принимают: [а] = (0,12...0,15)£' (муфты с торобразной оболочкой); [а] = (0,15...0,20)£ (муфты с упругим диском).
В процессе эксплуатации резиновые демпфирующие элементы подвергаются деформациям сжатия, изгиба, кручения, сдвига и нескольким видам деформации одновременно. В большинстве случаев демпфирующие элементы амортизаторов работают в условиях циклического сжатия.
В настоящее время существуют различные подходы к оценке работы резиновых элементов при циклическом нагружении [18-25].
В качестве сравнения эксплуатационных свойств демпфирующих элементов примем ресурс работы до разрушения. Воспользуемся зависимостью для определения ресурса работы резинового элемента, с учетом развивающихся в материале повреждений [23]
t = т0 C exp
U0 — с
RT
(1)
где т0 - константа материала резина, т0 =1 • 1013 с.; С - коэффициент повреждаемости материала; и - энергия активации процесса разрушения материала; у - структурно-чувствительный коэффициент; а - напряжение; Я - газовая постоянная, Я =8,32 * 103 ДжДмоль'К); Т - температура диссипативного разогрева.
Коэффициент, учитывающий повреждаемость материала вследствие образования микротрещин, определяется как [23]
C = ln-
Ар -Ар
.тот .г кр
где Аря - концентрация перенапряжённых связей в материале, которые могут разрушиться под действием тепловых флуктуаций; Ар^ - критическая концентрация повреждений в объёме резины.
Коэффициент С при эксплуатации резиновых элементов с температурой диссипативного разогрева до 323 К (50 °С) можно принять равным 3,5, с температурой больше 323 К - 4,5 [23].
Структурно-чувствительный коэффициент
В.Г. Мосур, О.В. Шарков
характеризует прочностные свойства упругого материала, он является функцией напряжения и температуры диссипативного разогрева у = /(ст, Т) . Она определяется экспериментально или выбирается из справочников. Например, для резины марки 51-1562 [23]
у = 103,9 - 8,3ст- 0,23Г .
На рис. 1 приведена гистограмма сравнительной оценки теоретического ресурса резины различных марок, выполненного по формуле 1.
Рисунок 1 - Ресурс упругих элементов из резины марок: 1 - ИРП-14010; 2 - 51-1562; 3 - СКУ-8
Как видно из полученных результатов ресурс рассматриваемых марок резины изменяется в диапазоне от 7,5 до 12,2 тыс. ч. Наибольшим ресурсом обладает элементы, выполненные из резины марки 51-1562, ресурс элементов из резины марок СКУ-8 и ИРП-14010 соответственно меньше в 1,46 и 1,62 раза.
Согласно данным источника [23] для инженерной практики достаточно ресурса 6.. .12 тыс. ч., причем его величина зависит от условий эксплуатации и может быть выше. Например [23], для резины марки 51-1562 при циклическом нагруже-нии при сдвиге с частотой 70 с-1 и температуре диссипативного разогрева 52.56 °С наработка до отказа может быть больше 30 тыс. ч.
Литература
1. Куклин М.В. Снижение шума и вибрации в системах судовой гидравлики // Судостроение. 2019. № 5 (846). С. 34-35.
2. Ломакин В.О., Михеев К.Г., Веселов А.А., Фоменко В.Д. Исследование возможности моделирования вибраций корпуса насоса из-за воздействия нестационарных гидродинамических сил // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2022. № 12 (753). С. 107-115. doi: 10.18698/0536-1044-2022-12-107-115.
3. Губарев П.В., Больших И.В., Шабаев В.В. Анализ существующих диагностических комплексов для контроля уровня вибрации узлов локомотивов // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2020. № 7. С. 318-320.
4. Fayziev S.K., Haydarova N.M. Methods of reducing the vibration and noise level in sewing machines // Modern innovations, systems and technologies. 2022. Vol. 2. No 2. P. 428-439. doi: 10.47813/2782-2818-2022-2-2-0428-
0439.
5. Ghazali M.H.M., Rahiman W. Vibration analysis for machine monitoring and diagnosis: A Systematic review // Shock and vibration. 2021. 9469318. https://doi.org/10.1155/2021/9469318.
6. Курзина Е.Г., Колмаков А.Г., Филиппов В.Н., Семак А.В., Курзина А.М. Демпфирующие композиты из материалов с различающимися упруго-гистерезисными свойствами для сэндвич-амортизаторов железнодорожного транспорта // Материаловедение. 2020. № 1. С. 25-32.
7. Алексеев А.Е., Думанский И.О., Прохоров А.В. Пластинчатые амортизаторы-демпферы в натяжных устройствах ленточнопильных станков // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. 2021. № 5 (383). С. 142-149. doi: 10.37482/0536-1036-2021-5142-149.
8. Белодедова А.А. Анализ применения амортизаторов для защиты от вибрации // Природные и техногенные риски (физико-математические и прикладные аспекты). 2023. № 2 (45). С. 67-73.
9. Величкович А.С. Некоторые конструктивные особенности оболочечных пружин для буровых амортизаторов // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2007. № 8. С. 26-28.
10. Danilin A.N., Kurbatov A.S., Zhavoronok S.I. Simulation of a multi-frequency stockbridge vibration damper oscilations with energy scattering hysteresis // International Journal for computational civil and structural engineering. 2020.Vol. 16. No 4. P. 29-37. doi: 10.22337/2587-9618-2020-16-4-29-37.
11. Galluzzi R., Circosta S., Amati N., Tonoli A. Rotary regenerative shock absorbers for automotive suspensions // Mechatronics. 2021. Vol. 77. 102580. https://doi.org/10.1016/j.mechatronics.2021.102580.
12. Смирнов О.В. Изготовление упругих демпфирующих элементов амортизаторов из металлической резины // Динамика систем, механизмов и машин. 2004. № 3. С. 79-82.
13. Кеглин Б.Г. Выбор и исследование резин для вагонных амортизаторов удара // Каучук и резина. 1984. № 1. С. 32-33.
14. Белкин А.Е., Хоминич Д.С. Расчет больших деформаций арочного амортизатора с учетом объемной сжимаемости резины // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия Машиностроение. 2012. № 2 (87). С. 311.
15. Черныш А.А., Яковлев С.Н. Экспериментальное определение температуры нагрева полиуретанового амортизатора при динамическом нагружении // Вестник государственного университета морского и речного флота им. адмирала С.О. Макарова. 2019. Т. 11. № 5. С. 893-901. doi: 10.21821/2309-5180-2019-11-5893-901.
16. Long X-H., Ma Y-T., Yue R., Fan J. Experimental study on impact behaviors of rubber shock absorbers // Construction and building materials. 2018. Vol. 173. P. 718-729.
https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.04.077.
17. Вентклиматстрой [Электронный ресурс] URL: https://pritochka.ru/products/vibroizolyatory-vr-201-vr-202-vr-203/ (дата обращения 15.10.2023).
18. Научно-исследовательский институт резиновых покрытий и изделий [Электронный ресурс] URL:
https://www.niirpi.com/produktsiya/amortizatory/amorti-zatory-korabelnye-so-strahovkoj-tipa-akss/ (дата обращения 20.10.2023).
19. Потураев В.Н., Дырда В.И. Резиновые детали машин. Москва: Машиностроение, 1977. 214 с.
20. Михайлов Ю.К., Иванов Б.С. Муфты с неметаллическими упругими элементами. Ленинград: Машиностроение, 1987. 145 с.
21. Семенов В.К., Белкин А.Е. Математическая модель вязкоупругого поведения резины при циклическом нагружении // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2014. № 2 (647). С. 46-51.
22. Дудченко А.А., Башаров Е.А. Определение теплообразования в слоях резины слоистой балки типа тор-сион при циклическом нагружении // Труды МАИ. 2011. № 42. С. 1-15.
23. Пелевин А.Г., Свистков А.Л., Адамов А.А., Bernd L., Heinrich G. Алгоритм поиска констант в модели механического поведения резины // Механика композиционных материалов и конструкций. 2010. Т. 16. № 3. С. 313-328.
24. Прокопчук Н.Р., Кудинова Г.Д., Асловская О.А., Гугович С.А. Исследование влияния циклических деформаций и озона на долговечность резин // Труды Белорусского государственного технологического университета. Серия 3. Химия и технология неорганических веществ. 1996. № 4. С. 76-81.
25. Дырда В.И. Резиновые элементы вибрационных машин. Киев: Наукова думка, 1980. 164 с.
26. Park J., Kim Y.,Yoon J.W., So H., Lee J., Ko S. Finite element modeling and durability evaluation for rubber pad forming process // IOP Conference series: Materials science and engineering. 2019. Vol. 651. 012096. doi: 10.1088/1757-899X/651/1/012096.
27. Moon S-I., Cho I-J., Woo C-S., Kim W-D. Study on determination of durability analysis process and fatigue damage parameter for rubber component // Journal of mechanical science and technology. 2011. Vol. 25. P. 11591165. https://doi.org/10.1007/s12206-011-0221-6.
УДК 62-567.1
НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛАСТОМЕРОВ В КАЧЕСТВЕ АМОРТИЗАТОРОВ ПРИ СЕРВИСНОМ ОБСЛУЖИВАНИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
В.Г. Мосур1, О.В. Шарков2
Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта (БФУ им. И. Канта),
Россия, 236016, г. Калининград, ул. А. Невского 14.
Рассматривается упрощенная методика расчета и подбора амортизирующих элементов, выполненных из полиуретана и резины. Расчет основан на определении относительной деформации, возникающей при динамическом нагружении. Оценено влияние фактора формы амортизирующих элементов на их демпфирующую способность. Показано, что полиуретан обладает лучшими амортизирующими свойствами по сравнению с резиной.
Ключевые слова: сервисное обслуживание, демпфирующий элемент, модуль упругости, коэффициент формы, полиуретан, резина.
SOME ISSUES OF APPLICATION ELASTOMERS AS SHOCK ABSORBERS DURING SERVICE PROCESSING OF TECHNOLOGICAL EQUIPMENT
V.G. Mosur, O.V. Sharkov
Immanuel Kant Baltic Federal University (IKBFU), Russia, 236016, Kaliningrad, A. Nevsky str., 14.
A simplified method for calculating and selecting shock-absorbing elements made of polyurethane and rubber is considered. The calculation is based on determining the relative deformation that occurs under dynamic loading. The influence of the shape factor of shock-absorbing elements on their damping characteristics is assessed. It has been shown that polyurethane has better damping properties compared to rubber.
Keywords: service processing, damping element, elasticity modulus, shape coefficient, polyurethane, rubber.
Динамические нагрузки, возникающие при эксплуатации технологического оборудования [1-6], являются важным фактором, влияющим на его работоспособность в целом.
Наиболее часто для снижения вибрационных и ударных нагрузок используют конструктивные решения, обеспечивающие диссипацию и рассеивание энергии динамически действующих нагрузок - амортизирующие элементы.
1Мосур Владлен Григорьевич - кандидат технических наук, доцент института Высоких технологий, тел. +7(4012)59-55-85, e-mail: vmosur@kantiana.ru;
2Шарков Олег Васильевич - доктор технических наук, профессор института Высоких технологий, тел. +7(4012) 59-55-85, e-mail: osharkov@kantiana.ru.
