CC BY
341
Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №4(3), 2011
УДК 621.793
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ГЕРМЕТИЧНОСТИ РАЗЪЕМНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН
© 2011 Е.А. Памфилов, Г.А. Пилюшина, С.В. Тяпин
Брянская государственная инженерно-технологическая академия Поступила в редакцию 10.11.2011
Надежность многих технологических машин и оборудования в существенной степени определяется показателями работоспособности их гидравлических, которые не всегда соответствуют предъявляемым к ним требованиям.
Несмотря на многообразие конструкций и специфические особенности функционирования, гидравлические и пневматические системы имеют общие агрегаты и элементы, работоспособностью которых определяется их надежность.
В связи с этим нами была поставлена задача повышения надежности машин и оборудования, за счет обеспечения герметичности неподвижных разъемных соединений, как в процессе их изготовления, так и при ремонте.
Герметичность рассматриваемых соединений обычно достигается за счет плотного прилегания конической или сферической поверхности ниппеля к рабочей поверхности штуцера. Необходимое для этого нагружение создается с помощью накидной гайки, которая осуществляет сжатие уплотнительного элемента соединения, в результате чего образуется замкнутая непроницаемая для рабочих сред полоса контакта.
В общем случае герметизирующий контакт можно представлять как трибосопряжение, для которого характерны высокие давления, малые скорости и амплитуды относительного перемещения рабочих поверхностей соединяемых деталей. В результате на фрикционном контакте происходят достаточно сложные физико-химические процессы, способствующие возникновению фреттинг-износа, что приводит к снижению герметичности рассматриваемых соединений.
Интенсификация износа при функционировании таких условно неподвижных разъемных соединений связана с тем, что они испытывают внешнее динамическое воздействие нагрузок, возникающих при работе технологического оборудования. Эти нагрузки имеют преимущественно циклический или ударный характер, причем изменение нагрузок происходит с большой скоростью и ускорением, что приводит к вибрации машин, негативно действующей на контактные явления и прочность сочленений.
Поэтому можно полагать, что, существенное влияние на работоспособность герметизирующих соединений оказывают микроперемещения, возникающие в контактной зоне деталей. Причем влияние их проявляется неоднозначно.
Помимо негативного влияния на поверхностную прочность соединений они значительно изменяют частоты собственных и вынужденных колебаний сопрягаемых деталей, смягчают ударные нагрузки, а также обладают существенными демпфирующими показателями[2].
Характерные контактные циклические перемещения в неподвижных разъемных уплотнительных соединениях могут наблюдаться в следующей форме. Это нормальная деформация контактной зоны, а также относительные вращательные и качательные перемещения функциональных поверхностей. Амплитуда их составляет до 50 мкм, а частота приложения зависит от частотных характеристик работы агрегатов рассматриваемых машин. Возможные виды контактных деформаций в герметизирующих соединениях представлены на рис. 1.
Рис.1. Возможные виды относительных контактных перемещений в неподвижном разъемном герметизирующем соединении: 1-вращательные перемещения; 2- качательные перемещения;
3- нормальные перемещения.
Среди негативных проявлений вибрационного воздействия на контактирующие поверхности деталей машинрядом авторов отмечается возможность возникновения эффекта «ожижения» сухого трения, заключающегося в том, что сила сухого трения покоя резко снижается и фрикционная пара ведет себя не как при сухом трении, а как при вязком жидкостном трении [3, 4].
Снижение силы трения за счет действия вибрации вызывает фреттинг-коррозию, самоотвинчивание и ослабление резьбы, проседание и смещение фланцевых прокладок, смещение контактирующих деталей соединений, а также другие внешние проявления, что неизбежно ведет к увеличению количества мест утечек рабочей среды и отказу системы вследствие потери герметичности.
1170
Механика и машиностроение
При проектировании таких неподвижных разъемных соединений следует иметь в виду, что герметичность, кроме обеспечения определенных эксплуатационных требований, выступает фактором, затрудняющим адсорбционные процессы на поверхностях взаимодействующих деталей, как в условиях движения, так и при трении покоя.
Этим поддерживается стабильность свойств поверхностных слоев материалов деталей при эксплуатации. Существенную важность свойство герметичности приобретает для неподвижных соединений деталей, работающих в жидкой или газообразной среде, при повышенном давлении или в вакууме, при высокой или низкой температуре, в агрессивной среде. В этих условиях свойство герметичности имеет особое значение для обеспечения нормальной и безопасной работы оборудования.
Таким образом, следует полагать, что наибольшее влияние на герметичность соединений оказывают фрикционные, физико-механические и адгезионные характеристики поверхностных слоев контактирующих материалов.
В рассматриваемых триботехнических задачах коэффициент трения и герметичность соединения зависят от податливости контактирующих поверхностей деталей под нагрузкой, зависящей в свою очередь от совокупности свойств поверхностных слоев.
Кроме того, в качестве одного из основных эксплуатационных свойств неподвижных соединений, обусловливающего восприятие им нагрузки, оказывается прочность конструкционного материала (в частности его поверхностного слоя), определяющая также износостойкость деталей соединения. Помимо этого молекулярную составляющую силы трения, влияющую на демпфирующие свойства контакта, определяет поверхностная энергия.
Работоспособность герметизирующих соединений помимо уже указанных факторов определяется фактической геометрией сопрягаемых поверхностей, получаемой в результате различных видов их обработки. Поскольку она отличается от номинальной геометрической формы, то при сближении стыков под нагрузкой их контакт происходит по отдельным пятнам с высоким давлением, оказывающим существенное влияние на все процессы контактного взаимодействия, а опосредованно и на герметичность, и на изнашивание рабочих поверхностей.
Таким образом, герметичность исследуемых соединений определяется деформативностью материала контактирующих поверхностей, прочностью адгезионно-механических связей и коэффициентом трения в контактной зоне, физико-химическими свойствами материалов, технологическими параметрами формирования рабочих поверхностей контактирующих деталей и особенностями сборки соединений. При этом чрезвычайно важна необходимость обеспечения благоприятных значений гео-
метрических параметров герметизирующих поверхностей.
Одним из эффективных конструктивнотехнологических приемов достижения герметичности и прочности таких соединений, на наш взгляд, представляется ведение в зону контакта некоторого объема восстанавливающего материала, обладающего повышенной пластичностью и позволяющего в должной степени заполнить места протекания рабочих сред за счет образования своего рода промежуточных металлических или полимерных слоев.
Вводимый материал должен надежно заполнять зоны с нарушенным герметизирующим контактом. Для нанесения герметизирующего слоя возможно использование химических или электрохимических методов, осаждения покрытий, процессов напыления металлов, а также нанесение металлополимерных паст на поверхности, образующие герметизирующий контакт. В процессе эксплуатации или выполнения технологической приработки, наносимые покрытия образуют единый функциональный защитно-герметизирующий промежуточный слой.
Создаваемые слои должны обладать достаточной технологичностью, то есть обеспечить возможность их простого и наименее затратного способа нанесения на соединяемые детали. Структурное состояние материала покрытий должно обеспечивать возможность реструктуризации их материала и образования в результате этого благоприятного аморфного состояния покрытия.
Важнейшим фактором создания эффективно работающего промежуточного слоя является достижение за счет сил адгезии прочного сцепления граничных слоев материала покрытия с материалом поверхности детали, на которое оно наносится. Кроме того должно быть обеспечено аморфное состояние внутреннего объема функционального слоя покрытия, в котором в процессе эксплуатации реализуется явление внутреннего трения [1].
Из возможных способов нанесения покрытий, обеспечивающих формирование функционального слоя, наиболее простым является использование химического и электрохимического осаждения меди.
При использовании химического осаждения могут быть получены слои толщиной от 2 до 5 мкм и более. Химическое осаждение является достаточно технологичным процессом, материалы для его выполнения доступны и недороги. При его выполнении обеспечивается необходимая равномерность осаждения материала покрытия по всей функциональной поверхности, а само покрытие имеет мелкокристаллическое строение и обладает низкой пористостью, а также малой дефектностью получаемой структуры.
Однако именно это затрудняет реструктуризацию покрытия и его аморфизацию для обеспечения высокой работоспособности получаемых герметизирующих соединений деталей гидросистем.
1171
Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №4(3), 2011
При нанесении электрохимических покрытий меди, возможно создание слоев толщиной от долей мкм до десятых долей мм. Они действуют главным образом как защитные пленки. Перспективным является и фрикционное латунирование, которое существенно повышает антифрикционные свойства создаваемых функциональных поверхностей. Вместе с тем возможности реструктуризации и аморфи-зации этих покрытий также весьма ограничены. Более перспективным для достижения поставленных в работе целей повышения работоспособности герметизирующих гидравлических соединений является использование распыления (пульверизации) наносимого материала электродуговым или газопламенным способом или же выполнение финишной антифрикционной безабразивной обработки (ФАБО). Использование этих способов нанесения защитного слоя материала позволяет закреплять покрытия на металлической основе за счет действия сил адгезии, что является более предпочтительным для формирования герметизирующих неподвижных соединений, а также при приработке осуществить достаточно просто направленную аморфизацию получаемого промежуточного слоя.Исходя из изложенного выше, нами предложена следующая схема формирования промежуточного функционального слоя. Для достижения совокупности, предъявляемых к нему требований принято целесообразным на одну из контактирующих поверхностей наносить химическое покрытие толщиной 2-4 мкм, на другую - газотермическое покрытие толщиной 8-10 мкм с последующей оптимизирующей приработкой трибосое-динения.Механизм функционирования такого покрытия сводится к следующему. Как газотермические, так и химические покрытия, наносимые на контактирующие поверхности, достаточно надежно закрепляются на них за счет действия адгезионных связей. В результате при приложении смещающей нагрузки срыв покрытия с материала подложки не происходит, а все относительные, как микро- так и макро перемещения реализуются во внутренних слоях покрытия. Таким образом, формирование промежуточных покрытий происходит в три этапа: нанесение газотермического покрытия на одну из деталей соединения, нанесение химического покрытия на другую деталь, аморфизация материала покрытия с одновременным созданием благоприятного уровня параметров шероховатости контактирующих поверхностей.
Технологическая приработка деталей с нанесенными покрытиями, выполняемая по схеме, включающей возвратно-вращательное перемещение
на 3-5 оборотов в каждую сторону, осциллирующее движение с частотой 10-12 Гц на угол 3-5°, осевой нагрузкой 30-50 Н в течение 8-12 минут. Это позволяет обеспечить высокую работоспособность формируемых функциональных слоев по показателям фреттингостойкости и герметичности неподвижных разъемных соединений гидравлических систем технологических машин.Перспективным для повышения работоспособности разъемных герметизирующих соединений является и использование фрикционного латунирования (ФАБО), которое обладает высокой технологической гибкостью и позволяет управлять свойствами получаемых поверхностей в широких диапазонах [1]. Это позволяет использовать рассматриваемый способ как весьма перспективный для создания промежуточных сервовитных и герметизирующих слоев применительно к условиям эксплуатации неподвижных разъемных соединений гидравлических систем технологических машин.Особо следует отметить роль технологической жидкости в достижении эффективности рассматриваемой обработки. Экспериментальные исследования показали, что выполнение ФАБО без введения в зону контакта технологической среды не приводит к каким-либо положительным результатам. В случае использования в качестве технологической среды глицерина и смеси его с уксусной кислотой получены положительные результаты, причем наиболее эффективным является применение глицерина с добавлением ледяной уксусной кислоты в соотношении 9 к 1.
Таким образом, предлагаемые в работе схемы формирования промежуточных защитногерметизирующих слоев, как при изготовлении новых конструкций неподвижных разъемных соединений, так и при восстановлении работоспособности изношенных обеспечивают практическое исключение фреттинг-изнашивания в течение заданного срока эксплуатации, а также более длительное сохранение регламентируемой герметичности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гаркунов Д. Н. Триботехника: учеб. для втузов. М.: Машиностроение, 1989. 328 с.
2. Перфильева Н.В. Динамическая модель механического контактирования условно-неподвижных соединений: Ав-тореф. дис. докт. техн. наук.Томск, 2003.39 с.
3. Бернштейн М.А., Займовская М.А. Механические свойства металлов. М.: Металлургия, 1979. 490 с.
4. Бэкофен В. Процессы деформации. М.: Металлургия, 1977. 288 с.
MAINTENANCE OF TIGHTNESS OF DEMOUNTABLE CONNECTIONS OF HYDRAULIC SYSTEMS OF TECHNOLOGICAL MACHINES
E.A.Pamfilov, G.A.Piljushina, S.V.Tjapin
Bryansk state engineering-technological academy
1172
