CC BY
27
(U, итг»
кя»
"»ООО
! 1 'Ч 'Mi* ; i i 1
I
feL -— sr-
r-3
[-—у..... r-I ГЧ
—
1— Мл 1 ¿V. ¿у, 5 т' «с
Рис.1. Влияние температуры отпуска на микротвердость облученных лазером образцов: 1 - Ст.45; 2 - Ст.45ХН; 3 - Ст.38ХС; 4-СТ.ШХ15.
рования многофакторного эксперимента. План эксперимента составлен в виде матрицы типа 23"1 и включает в себя варьирование четырех технологических факторов: толщины слоя графитовой обмазки, мкм, скорости перемещения образца, мм/с; степени дефокусировки, % коэффициента перекрытия.
В качестве функции отклика (параметра оптимизации) принята масса изношенного материала упрочненных образцов при сухом трении скольжения. Испытание на износ проводилось на машине трения 2070 СМТ-1 по схеме диск-диск при усилии в контакте 200. . .500 Н, частоте вращения ведущего диска 100...300 м1 и коэффициенте проскальзывания 10 %. Износ контролировался весовым методом на весах модели ВЛР-200 с точностью измерения 0,1 миллиграмма. Сравнительные испытания на износ на пути трения 1600 м показали, что износостойкость образцов после лазерной обработки в 3...5 раз выше, чем у образцов, прошедших традиционную объемную закалку (Рис. 2).
По степени повышения износостойкости исследуемые стали располагаются в последовательности: Ст 45ХН, Ст 38ХС, Ст 45.
В результате проведенных исследований получены уравнения регрессии оптимального сочетания параметров основных технологических режимов лазерной обработки (толщины слоя обмазки, скорости сканирования, степени дефокусировки, коэффициента перекрытия) для стали 45, 45ХН, 38ХС, при которых обеспечивается макси-
т/оГ 1.5
ЕД
гМ
--Г | f 1
• 1
>
SCO где**
Рис. 2. Кинетические зависимости удельного износа образцов из стали 45ХН: 1 - лазерная обработка; 2 - объемная закалка.
мальное повышение износостойкости.
Таким образом, результаты исследований показали возможность существенного повышения износостойкости стальных несмазываемых пар трения, а также метод обеспечения наибольшей эффективности поверхностного упрочнения путем оптимизации технологических режимов лазерной обработки деталей трибосистем.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кузнецов Э А.. Леонтьев А.Н., Мамаев O.A. и др Исследование влияния высокоэнергетических способов поверхностного упрочнения на износостойкость триботех-нических деталей БТВТ. Отчет о НИР.- Омск. ОТИИ, 1999-73 с.
КУЗНЕЦОВ Эрнст Андреевич - кандидат технических наук, профессор кафедры "Технология производства БТВТ" Омского танкового инженерного института.
ЛЕОНТЬЕВ Анатолий Николаевич - начальник Омского танкового инженерного института.
ЛИПИНА Наталья Анатольевна - инженер кафедры "Технология производства БТВТ" Омского танкового инженерного института.
МАМАЕВ Олег Алексеевич - начальник кафедры "Технология производства БТВТ" Омского танкового инженерного института.
Ю.К. МАШКОВ, А.Н. ЛЕОНТЬЕВ, O.A. МАМАЕВ
Омский государственный технический университет Омский танковый инженерный институт
ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ГЕРМЕТИЗИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ СПЕЦИАЛЬНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ
УДК 621:62-192-242
АНАЛИЗИРУЮТСЯ ПРИЧИНЫ НИЗКОИ НАДЕЖНОСТИ УПЛОТНЕНИЙ ПНЕВМОРЕССОРЫ ПОДВЕСКИ СПЕЦИАЛЬНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ МАШИН; РАССМАТРИВАЮТСЯ КОНСТРУКЦИЯ И РАСЧЕТ КОМБИНИРОВАННОГО ГЕРМЕТИЗИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА, ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕГО СУЩЕСТВЕННОЕ ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ УПЛОТНЕНИЙ ПОРШНЯ-РАЗДЕЛИТЕЛЯ ПНЕВМОРЕССОРЫ.
Условия эксплуатации специальных транспортных ных нагрузок на элементы ходовой части и ее подвески. В машин отличаются жесткими динамическими режимами этих условиях надежная работа подвески и эффективное нагружения деталей и узлов ходовой части вследствие демпфирование ударных динамических воздействий на тяжелых дорожных условий. Движение по дорогам без корпус машины является необходимым условием реали-, твердого покрытия сопровождается воздействием удар- зации высоких скоростных качеств машин; заложенных в
мощной силовой установке.
Одной из наиболее эффективных схем демпфирования ударных нагрузок и гашения колебаний корпуса является схема с применением пневматической рессоры подвески. Надежность и эффективность таких рессор определяется надежностью герметизирующих устройств уплотнений поршня-разделителя. Несмотря на большое влияние степени герметичности уплотнений поршня-разделителя на эффективность работы подвески, конструкция применяемых уплотнений довольно проста и аналогична уплотнениям, широко применяемым в значительно менее ответственных элементах конструкции машин.
Уплотнения поршня-разделителя серийных машин как со стороны цилиндрической, так и со стороны газовой полости выполнены в виде резиновых колец круглого сечения с защитными шайбами из политетрафторэтилена (ПТФЭ), установленных в канавках корпуса поршня. Уп-лотнительные кольца, как правило, изготовляют из сред-нетвердых маслостойких резин на основе СКН-18 и СКН-26 (марки 7В-14, 7-8075, 7-ИРП-1078А). В процессе эксплуатации и хранения происходит старение резины под влиянием различных внешних агентов, при котором физическое состояние и химический состав резины изменяются, что выражается в изменении характеристик физико-механических свойств. При работе поршня-разделителя механическая энергия деформации и трения вызывает физико-химические изменения в результате диффузионного массообмена компонентов резиновой смеси, химической деструкции и механического микроразрушения в результате деформации и трения. Химическая и механическая деструкция резины происходит в течение достаточно длительного времени в несколько лет, а изменения физического характера (релаксация напряжений, набухание, потеря прочности) происходят за время от нескольких часов до нескольких суток.
Названные недостатки существенно снижают надежность и ресурс таких уплотнений и не обеспечивают заданных требований к надежности герметизирующих устройств транспортных машин и, в частности, поршня-разделителя пневматической рессоры подвески. С целью повышения надежности уплотнения поршня-разделителя и увеличения срока эксплуатации разработано комбинированное герметизирующее устройство, состоящее из уплотняющего элемента в виде кольца с тонкой уплотняющей губкой 2 и силового элемента 3 в виде резинового кольца кругового сечения (рис.1), установленных в канавках корпуса поршня разделителя 4. Уплотнительный элемент выполняется из полимерного композиционного материала (ПКМ) на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ), свободного от выше названных недостатков резины. Кроме того, ПТФЭ обладает высокой химической стойкостью, превосходными антифрикционными свойствами и прак-
Рис. 1 Поршень-разделитель пневморессоры.
тически не подвержен старению. Обеспечение высокой износостойкости достигается модифицированием ПТФЭ путем введения наполнителей различного вида и природы. Для уплотненных элементов поршня-разделителя разработан ПКМ с ультрадисперсным скрытокристалличес-ким графитом (СКГ). Введение наполнителя приводит к изменению структурно-фазового состояния и параметров надмодулярной структуры, чем обеспечивается существенное повышение износостойкости композиции даже при малом наполнении в пределах 7-8 мас.% [1].
Надежность герметизации в течение длительной эксплуатации зависит от стабильности физико-механических свойств уплотняющего и силового элементов герметизирующего устройства, а также величины контактного давления на уплотняющую поверхность. Следовательно, основным конструктивным параметром, определяющим герметичность уплотнений является контактное давление Рк. При установке уплотнений контактное давление имеет значение Рко, которое после установки довольно быстро уменьшается до Рко вследствие обратимого процесса релаксации напряжений в резине (несколько десятков часов при комнатной температуре), а затем медленно уменьшается вследствие необратимого старения материала.
Уменьшение контактного давления в процессе старения резины в общем виде описывается уравнением [2]
Рк=Р'ко.ем, (1)
где К=Ае и,пг-константа скорости процесса, зависящая от температуры; I) - энергия активации; А - постоянная, зависящая от природного материала.
Экспериментальное определение Рк сопряжено со значительными трудностями, поэтому вместо контактных давлений используют относительную деформацию.
Механизм герметизации мягких пластмасс, к которым относится ПТФЭ определяется, главным образом, природой их деформационных характеристик - относительно малой областью упругих деформаций (-5%), большой областью вынужденно эластической деформации, зависимостью модуля упругости от скорости деформирования и температуры [2]. В статике происходит контактирование относительно мягкой поверхности уплотнительного элемента (Н=40-80МПа) с шероховатой поверхностью цилиндра (Яа=0,16...0,32мкм). При контактном давлении Рк> Н наблюдается пластическая деформация и сопряженная поверхность уплотнительного элемента - губка принимает форму поверхности цилиндра, заполняя впадины микронеровностей. При относительном перемещении для обеспечения герметичности контактная поверхность губки уплотнительного элемента должна копировать форму движущейся поверхности цилиндра, совершая микро- и макроперемещения. Последнее обусловлено смещением цилиндрической поверхности поршня в пределах радиального зазора 5= 100...150 мкм, овальностью, бочкообразнос-тью и другими геометрическими погрешностями рабочей поверхности цилиндра. Микродеформации происходят по всему объему уплотняющей губки и имеют упругий характер, так как относительная деформация не превышает 0,5%. Микродеформации происходят только в тонном поверхностном слое уплотняющей губки.
Деформируемость поверхности контакта уплотнения из модифицированного ПТФЭ зависит от соотношения твердости Н и контактного давления Рк. Для обеспечения герметичности при низком давлении рабочей среды уплотняющая поверхность должна прилегать к контртелу - цилиндру под давлением Рко, которое для уплотнений из ПТФЭ составляет 0,1...1,0 МПа. Давление Рко обеспечивается |
первоначальным технологическим натягом ДБт и связано с модулем упругости материала и конструктивными параметрами уплотнительного элемента соотношением [21: Рк=2Е-'\АРг, (2)
а-Б2
где Е=8-10е Па - модуль упругости ПКМ на основе ПТФЭ; 1 =3,0 мм - длина уплотняющей губки; 11=0,8 мм - толщина уплотняющей губки; а = 0,8 мм - длина контакта; Д0т=0,6 мм - натяг.
В процессе эксплуатации, полученный при сборке уплотнения натяг ДОт постепенно уменьшается вследствие изнашивания на величину ДЭи. Кроме того, изменение температуры также влияет на величину натяга из-за разности температурных деформаций уплотняющего элемента и контртела - цилиндра на величину ДО!= (ап-ас)2И Д1, где аг и ас - коэффициенты линейного температурного расширения полимерного материала и стали, соответственно; Д1 - изменение температуры. С учетом компенсации технологического зазора ДОз изнашивания и изменения температуры контактное давление должно быть
Рк)-—-^(ДОз+ДОи+ДОО. <3> а-Б2
В разработанной конструкции уплотнения поршня-разделителя диаметр поршня и уплотняемой поверхности цилиндра й=50 мм. Допустимая величина износа составляет ДБи = 0,4-10"3; максимальное изменение температуры Д1 =60°С. Коэффициенты линейного расширения: стали а = 12-10-6оС"\ полимера ап=14-10"5оС"1, технологический зазор ДОз =0,1-10"3м.
При выше названных значениях конструктивных параметров уплотнительного элемента, допустимого износа, условий эксплуатации и физико-механических свойств материалов контактное давление в конце эксплуатации должно быть согласно (3)
-2-8.10«-МО-'.0.8-10-'=0<9б ^
0,8 10"3 -25 1(Г4
Из условия обеспечения герметичности контактное давление для ПКМ на основе ПТФЭ должно быть не менее 0,1 МПа. Принимаем величину минимального контактного давления равной 0,14 МПа и получаем необходимое давление с учетом износа и температурной деформации Рк=1,1 МПа.
Необходимое значение Рко может быть получено за счет деформации силового элемента - резинового кольца установленного в закрытую канавку корпуса поршня-разделителя (рис.2). На уплотняемых поверхностях 1о возникает начальное контактное давление Рко=Р1, определяемое величиной относительной деформации сжатия е кольца модулем эластичности резины Е°° и формой сечения кольца. Давление Р1 изменяется вдоль 1о, среднее значение Р1 для колец круглого сечения связано с е зависимостью [3]
Рко=КфЕ~[1п(1-е)], (4)
где Кф=1,25 - коэффициент формы сечения кольца;
е=(с1-Н)/с1 - относительная деформация сжатия;
ос - диаметр сечения кольца;
Н - высота кольца в деформированном состоянии.
При относительной деформации не более 0,25 в первом приближении кривая распределения Рк соответствует форме сечения кольца, поэтому принимаем
Рис. 2. Расчетная схема уплотнения.
Рко=Кф-Е°°-е.
Учитывая уменьшение Рко в результате релаксации и старения в процессе эксплуатации принимаем коэффициент запаса Кз=2,5, тогда Рко=КзРк=2,5-1,1=2,7МПа. Модуль эластичности резины Е~=10МПа. Отсюда относительная деформация:
Е=Рко/Кф-Е~=2,75/1,25-10=0,22
Таким образом, при относительной деформации кольца 0,22 получаем начальное контактное давление, которое обеспечивает герметичность уплотнения при выше названных значениях величины технологического зазора, износа уплотнительного элемента и температурных деформаций в условиях эксплуатации. Заданная степень относительной деформации обеспечивается необходимым соотношением между диаметром d сечения резинового кольца, толщиной h уплотнительной губки и глубинной канавки корпуса поршня-разделителя.
Разработанная конструкция герметизирующего устройства испытана в лабораторных условиях на стенде-имитаторе в составе пневматической рессоры. Методика и стенд обеспечивают имитацию эксплуатационных условий работы уплотнения по нагрузочно-скоростным характеристикам и существенное ускорение испытании. Заключительным этапом проверки надежности разработанной конструкции уплотнения являются ходовые испытания модифицированных пневморессор в составе боевой машины десанта. При пробеге машины более 1000 км никаких недостатков в работе пневморессоры не выявлено, уплотнения обеспечивают герметичное разделение гидравлической и газовой полостей пневмоцилиндра, чем подтверждается высокая надежность нового уплотнения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Машков Ю.К., Калистратова Л.Ф., Овчар З.Н., Мамаев O.A. Повышение надежности металлополимерных узлов трения машин и оборудования. Труды международн. конф. - Самара: 1999. -С. 23-25.
2. Уплотнения и уплотнительная техника: Справочник/ /Л.А. Кондаков, А.И. Голубев, В.В. Гордеев и др. -М: Машиностроение, 1994.- 448 С.
3. Кондаков Л.А. Рабочие жидкости и уплотнения гидравлических систем. М.: Машиностроение, 1982. -216с.
МАШКОВ Юрий Константинович - д.т.н.. профессор, зав. кафедрой «Материаловедение и ТКМ» ОмГТУ.
ЛЕОНТЬЕВ Анатолий Николаевич - начальник Омского танкового инженерного института.
МАМАЕВ Олег Алексеевич - начальник кафедры «Технология производства БТВТ» Омского танкового инженерного института.
5(1
