CC BY
87
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013
6. Электроискровое легирование металлических поверхностей / В. Г. Самсонов [и др.]. — Киев : Наукова думка, 1976. - 248 с.
7. Артамонов, Б. А. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов : учеб. пособие. В 2 т. Т. 1. Обработка материалов с применением инструмента / Б. А. Артамонов, В. С. Волков, В. С. Дрожалова ; под ред. В. П. Смолен-цева. — М. : Высш. шк., 1983. — 247 с.
БЕЛАН Дмитрий Юрьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава».
УДК 621.22-762
Введение. Одна из задач, решаемых при разработке конструкции герметизирующего устройства (уплотнения) и выбора материалов для изготовления его элементов, — обеспечение требуемых надежности и ресурса устройства. Это предполагает решение оптимизационной задачи с выбором соответствующих критериев.
В качестве критериев оптимизации конструкции (выбора материалов) используются комплексные показатели работы герметизирующего устройства (ГУ) или несколько показателей одновременно [1—4]. Эти показатели зависят от начальных значений параметров режима эксплуатации, характеристик материалов и учитывают временную зависимость некоторых из них. В ряде случаев ГУ, применяемые для герметизации подвижных соединений, рассматриваются как трибосистемы, а прогнозирование их ресурса и надежности осуществляется по критерию износостойкости [5]. Существуют методики анализа работы ГУ с учетом формоизменения в процессе фрикционного взаимодействия [6, 7].
Анализ существующих подходов к рассмотрению работы и оптимизации ГУ, прогнозированию их надежности и ресурса свидетельствует о целесообразности использования методик, в основе которых лежат критерии выбора материалов и параметров конструкции, учитывающие изменение герметичности, геометрической формы и напряженно-деформированного состояния элементов устройства в
ОТРАДНОВА Анна Олеговна, аспирантка кафедры «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава».
Адрес для переписки: anna3812_88@mail.ru
Статья поступила в редакцию 17.06.2013 г.
© Д. Ю. Белан, А. О. Отраднова
процессе эксплуатации. В связи с отсутствием универсальных подходов к решению подобных задач эффективным является использование имитационного моделирования.
Объект и методика исследования. Объектом исследования в данной работе является комбинированное ГУ пневмогидроцилиндра кольцевого типа (рис. 1). Данная конструкция рассматривалась ранее в работах [8, 9]. Особенностью условий эксплуатации рассматриваемого пневмогидроцилиндра является наличие рабочих периодов, когда цилиндр совершает возвратно-поступательное движение, и периодов длительного хранения с сохранением эксплуатационных характеристик. Предлагаемая методика прогнозирования надежности и ресурса ГУ включает следующие этапы анализа работы устройства.
I. Выбор параметров, определяющих надежность (ресурс) устройства, и их предельных значений.
При разработке (оптимизации) конструкции и выборе применяемых материалов, как показано в работах [4, 10], в зависимости от типа ГУ целесообразно использовать величину утечек, а также параметры, характеризующие напряженно-деформированное состояние и контактное взаимодействие элементов ГУ.
II. Разработка расчетной модели устройства, позволяющей рассчитать в процессе имитационного моделирования значения параметров, определяю-
О. В. КРОПОТИН
Омский государственный технический университет
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ И РЕСУРСА ГЕРМЕТИЗИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
На примере комбинированного герметизирующего устройства рассматривается применение методики прогнозирования надежности и ресурса герметизирующих устройств с использованием имитационного моделирования.
Ключевые слова: надежность, ресурс, герметизирующие устройства, имитационное моделирование.
Рис. 1. Герметизирующее устройство пневмогидроцилиндра (а — конструкция ГУ, б — конечно-элементная модель ГУ):
1 — корпус плавающего поршня; 2 — силовой элемент (эластомерное кольцо); 3 — уплотняющий элемент из полимерного композиционного материала (ПКМ) на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ); 4 — цилиндр (подвижный элемент)
щих надежность (ресурс) устройства, в зависимости от наработки (времени работы, пути пробега, количества циклов и т.д.)
III. Определение с использованием расчетной модели значения наработки по условию достижения выбранным параметром его критического значения или определение значения параметра, соответствующего назначенному ресурсу устройства.
IV. Оценка прогнозируемых ресурса и надежности в пределах назначенного ресурса.
В данной работе при выборе ПКМ для изготовления уплотнительного элемента в качестве параметров, определяющих надежность и ресурс устройства, были выбраны: утечка герметизируемой среды; главные (наибольшие положительные) напряжение и деформация в уплотняющем элементе ГУ. В качестве предельных значений параметров были выбраны: утечка, соответствующая переходу ГУ в следующий класс негерметичности; критический расход герметизируемой среды (100 см3); предел прочности при растяжении ПКМ 5р, относительное удлинение при разрыве ПКМ 8р.
При моделировании рассматривался назначенный ресурс устройства — 2000 циклов возвратно-поступательного движения и 10 лет хранения с сохранением эксплуатационных характеристик.
В качестве расчетного метода при создании имитационной модели устройства выбран метод конечных элементов, а в качестве программного средства — комплекс ANSYS.
На каждом этапе расчетов, который характеризуется соответствующими значениями давлений разделяемых сред, решали задачу напряженно-деформированного состояния уплотнительного и силового элементов, получали распределение контактного давления по уплотняемой поверхности. Верификацию расчетной модели производили на основании сравнения расчетных данных и данных, полученных в ходе стендовых испытаний устройства. Учет формоизменения уплотнительного элемента в процессе возвратно-поступательного движения производили следующим образом: после определенного количества циклов изменяли геометрические пара-
метры уплотнительного элемента в соответствии с результатами расчетов линейного износа, полагая величину износа пропорциональной контактному давлению. Подобный подход использован в работах [4, 6, 7, 10].
Расчет утечек проводили как при возвратно-поступательном движении, так и в статическом состоянии цилиндра в процессе хранения при эксплуатационных параметрах нагружения.
При моделировании использовались свойства материалов с различным сочетанием характеристик физико-механических и триботехнических свойств [1, 11 — 13], в том числе материалов Ф4УВ6Г8М2 (84 % ПТФЭ, 6 % углеродного волокна, 8 % скрытокристаллического графита, 2 % дисульфида молибдена) и Ф4Г10 (90 % ПТФЭ, 10 % скрытокристаллического графита, спекание в зажимах с ограничением теплового расширения).
Утечки в процессе возвратно-поступательного движения цилиндра относительно поршня рассчитывали по формулам [1]:
V = 0,5-jiDL('I'252 -4'151)
(1)
(2)
где D — внутренний диаметр цилиндра; L — длина двойного хода цилиндра; ^ и ¥2 — функции, учитывающие различия в режимах трения; 5! и 82 — характерные зазоры, р^, р^ — максимальные значения градиентов давления, а и ^ — скорости движения цилиндра при прямом и обратном ходе соответственно; ц — динамическая вязкость жидкости; а! и а2 — безразмерные коэффициенты.
Утечки в статическом состоянии рассчитывали по формуле [14]:
-ЗРк
•е
(3)
где Q — утечки за 1 с; рк — контактное давление на уплотняемой поверхности; ¥0 и к — коэффициенты,
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123 ) 2013 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013
Параметры, характеризующие износ и класс негерметичности устройства
Материал ^, см3/м2 К1 т, мг Qy'10 4, мм3/(м'с) К2
Криолон-5 0,12 2 1 2 3,7 1,42 1-1
Ф4УВ6Г8М2 0,21 3-1 7,1 1,31 1-1
Ф4Г10 0,16 2-2 19,5 1,28 1-1
Рис. 2. Распределение утечек через герметизирующее устройство после 2000 циклов возвратно-поступательного движения:
1 — гистограмма относительных частот; 2 — плотность вероятности
Рис. 3. Распределение утечек через герметизирующее устройство после 10 лет хранения:
1 — гистограмма относительных частот; 2 — плотность вероятности
Рис. 4. Распределение значений главного напряжения в уплотняющем элементе: 1 — гистограмма относительных частот; 2 — плотность вероятности
зависящие от качества обработки поверхности; В — периметр уплотнения; и — ширина поверхности уплотнительного элемента, находящегося в контакте с контртелом; ДР — перепад давлений; ^ — динамическая вязкость; Rz — параметр шероховатости; Е — модуль Юнга для материала уплотнительного элемента.
Вероятность безотказной работы определяли по формуле [15]:
Р(х) = Ф
х-в-ао-МжЮ
(4)
где а0 — математическое ожидание параметра х в начальный момент времени; Мх(^ — математическое ожидание параметра х для момента времени ^ Dx(t) — соответствующее значение дисперсии; х — максимальное значение параметра; Ф —
тах 1 1 '
функция Лапласа.
Результаты исследования. Проведенная верификация расчетной модели при использовании материала уплотнительного элемента Ф4УВ6Г8М2 показала приемлемые для оценочных расчетов результаты.
Проведенный с использованием расчетной модели анализ напряженно-деформированного состояния элементов устройства и влияния на него характеристик физико-механических свойств материалов показал следующее. В условиях начального деформирования и воздействия давлений разделяемых сред существенное значение для параметров контактного взаимодействия и напряженно-деформированного состояния элементов устройства имеет модуль Юнга ПКМ. В процессе перемещения цилиндра и увеличения давлений разделяемых сред для некоторых ПКМ возможно превышение возникающих в материале напряжений и (или) деформаций их предельных значений.
Удельные утечки за 2000 циклов (V) соответствующий класс негерметичности (К1) в соответствии с классификацией [1], массовый износ уплотнительного элемента за 2000 циклов (т), удельные утечки в статическом состоянии ^у) и соответствующий класс негерметичности (К2), определенные по результатам расчетов для некоторых из исследованных материалов, приведены в табл. 1.
Как следует из приведенных в табл. 1 данных, при работе рассматриваемого уплотнения как уплотнения неподвижного соединения (статическое состояние цилиндра) наименьшие утечки Q возникают при использовании материала Ф4Г10, однако данный материал характеризуется наибольшей интенсивностью изнашивания и, как следствие, значительным массовым износом.
За расчетное количество циклов удельные утечки V, принимают наименьшее значение при использовании материала Криолон-5, однако относительно большое значение модуля Юнга данного материала приводит к наибольшим из рассматриваемых материалов утечкам в статическом состоянии. Тем не менее достаточно высокая степень герметичности в статическом состоянии позволяет рекомендовать именно этот материал для изготовления уплотнительного элемента. Наработка до перехода в следующий класс негерметичности (из класса 2-2 в класс 3-1), сопровождающегося незначительным изменением удельной утечки, для Ф4УВ6Г8М2 составила примерно 800 циклов. Для материалов Криолон-5 и Ф4Г10 класс негерметичности 2-2 сохраняется в течение 2000 циклов. Следует отметить, что ни для
одного из рассмотренных материалов не было превышено значение критического расхода герметизируемой среды.
Для прогнозирования надежности ГУ по критерию размерной точности (допуска на изготовление) уплотняющего элемента, использовали методологию вероятностно-статистического моделирования. Предполагая, что погрешности изготовления уплотняющего элемента распределяются в пределах допуска Д по нормальному закону (среднее квадратическое отклонение а = Д/6) [16], был сгенерирован набор значений пяти геометрических параметров уплотняющего элемента (50 реализаций согласно рекомендации, данной в [16]) и с помощью имитационной модели рассчитаны значения следующих выходных параметров: утечки в процессе возвратнопоступательного движения V, утечки в статическом состоянии Q, главного напряжения а1 (истинное напряжение). Расчеты проводились при использовании в имитационной модели для уплотняющего элемента характеристик материала Криолон-5. Значения констант Муни-Ривлина для силового элемента соответствовали релаксации напряжений в эластомере, т.к. расчеты показали возрастание утечки в данных условиях (исследовались условия наиболее неблагоприятные по критерию герметичности). При проверке гипотезы о нормальном распределении выходных параметров использовался Х2-критерий Пирсона. Соответствующие гистограммы относительных частот и плотности вероятности представлены на рис. 2-4.
В результате расчетов критерия Пирсона при уровне значимости а = 0,95 были приняты гипотезы о нормальном распределении выходных параметров. Параметры распределений (средние значения и средние квадратические отклонения) соответственно равны: V =33,73 см3 (ол. = 3,08 см3); Q =16,98 см3
1 ср ' ' V ' '' ср '
(о0 = 2,67 см3); а1ср = 24,0 МПа (оо1 = 0,85 МПа).
Как следует из результатов расчетов (рис. 2-3), при использовании в качестве материала для изготовления уплотняющего элемента ПКМ Криолон-5, можно прогнозировать, что при совершении 2000 циклов возвратно-поступательного движения цилиндра и хранении техники в течение 10 лет суммарные утечки не превысят критического расхода герметизируемой среды. Вероятность безотказной работы, рассчитанная по формуле (4), равна 1.
Запас надежности К [15, 16], как отношение предельного значения параметра к его экстремальному значению, полученному в результате имитационного моделирования, по суммарной утечке за 10 лет хранения и 2000 циклов возвратно-поступательного движения составляет К=1,50.
Значения напряжения а1 существенно ниже предела прочности при растяжении, истинное значение которого для ПКМ Криолон-5 составляет 40 МПа. Запас надежности по этому параметру в рассматриваемых условиях составляет 1,55.
Выводы. Использование методики прогнозирования надежности и ресурса герметизирующих устройств с использованием имитационного моделирования, основывающейся на прогнозировании параметров напряженно-деформированного состояния и контактного взаимодействия, а также степени герметичности, определяемых с учетом формоизменения элементов герметизирующих устройств в процессе трения, позволило выбрать материал, рекомендуемый к применению в конструкции ГУ и оценить ресурс и надежность устройства. Созданные конечно-элементные модели открыты для из-
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013
менений и позволяют проводить анализ работы рассмотренных типов герметизирующих устройств.
Библиографический список
1. Уплотнения и уплотнительная техника / Л. А. Кондаков [и др]. — М. : Машиностроение, 1986. — 464 с.
2. Ереско, С. П. Математическое моделирование, автоматизация проектирования и конструирование уплотнений подвижных соединений механических систем / С. П. Ереско. — М. : Изд-во ИАП РАН, 2003. - 155 с.
3. Долотов, А. М. Основы теории и проектирование уплотнений пневмогидроарматуры летательных аппаратов / А. М. Долотов, П. М. Огар, Д. Е. Чегодаев. — М. : Изд-во МАИ, 2000. - 296 с.
4. Кропотин, О. В. Разработка конструкции герметизирующего устройства с оптимизацией параметров контактного взаимодействия // Известия Самарского научного центра РАН. — 2013. — Т . 15. — № 4(2). — С. 371 — 375.
5. Методология вероятностного прогнозирования безотказности и ресурса трибосопряжений / А. В. Анцупов [и др]. // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. — 2011. — Т. 13. — № 4(3) (Приложение). — С. 19 — 22.
6. Weber, D. Wear behaviour of PTFE lip seals with different sealing edge designs, experiments and simulation / D. Weber, W. Haas // Sealing Technology. — February 2007. — P. 7 — 12.
7. Wear and friction of PTFE seals / H. Sui [et al]. // Wear. — 1999. — № 224. — P. 175 — 182.
8. Кропотин, О. В. Разработка элементов герметизирующих устройств трибосистем и анализ их напряженно-деформированного состояния с использованием метода конечных элементов / О. В. Кропотин, Ю. К. Машков, В. П. Пивоваров // Трение и износ. — Т. 25. — № 5. — 2004. — С. 461 — 465.
9. Кропотин, О. В. Анализ работы и проектирование уплотнений, используемых в бронетанковой технике / О. В. Кропо-
тин, Ю. К. Машков, В. П. Пивоваров // Омский научный вестник. - № 3(24). - 2003. - С. 68 - 70.
10. Кропотин, О. В. Методика прогнозирования надежности и ресурса подвижных герметизирующих устройств с учетом формоизменения элементов в процессе фрикционного взаимодействия // Известия Самарского научного центра РАН. - 2012. - Т . 14. - № 4(5). - С. 1253- 1256.
11. Композиционные материалы на основе политетрафторэтилена. Структурная модификация. / Ю. К. Машков [и др.]. - М. : Машиностроение, 2005. - 240 с.
12. Пат. 2307130 Российская Федерация, МПК C08J 5/16. Полимерный антифрикционный композиционный материал / Ю. К. Машков [и др.]; заявитель и патентообладатель СибАДИ. - № 2006111109/04; заявл.05.04.2006; опубл. 27.09.07, Бюл. № 27.
13. Структурная модификация политетрафторэтилена скрытокристаллическим графитом. / Ю. К. Машков [и др.]. // Физическая мезомеханика. - 2007. - Т. 10. - №6. - С. 109 — 114.
14. Кондаков, Л. А. Рабочие жидкости и уплотнения гидравлических систем / Л. А. Кондаков. - М. : Машиностроение, 1982. - 216 с.
15. Проников, А. С. Параметрическая надежность машин / А. С. Проников. - М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002. - 560 с.
16. Проников, А. С. Надежность машин / А. С. Прони-ков. - М. : Изд-во Машиностроение, 1978. - 592 с.
КРОПОТИН Олег Витальевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), профессор кафедры физики, декан факультета довузовской подготовки. Адрес для переписки: kropotin@mail.ru
Статья поступила в редакцию 09.07.2013 г.
© О. В. Кропотин
Книжная полка
621.81/И62
Инженерные основы расчетов деталей машин : учеб. для вузов по направлениям подгот. «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств», «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» / Ю. Е. Гуревич [и др.]. - М. : КНОРУС, 2013. - 478 с.
Изложены инженерные основы методологии проектных работ и методы расчета приводов, редукторов, коробок скоростей. Даны требуемые виды расчетов их деталей и узлов: зубчатых, червячных, цепных, ременных передач, валов, подшипников и других деталей и соединений. Приведены примеры расчетов по всему комплексу излагаемых методов. Содержит необходимый для практического использования вспомогательный материал: справочные данные, дополнительные формулы, таблицы, иллюстрации. Соответствует Федеральному государственному образовательному стандарту высшего профессионального образования третьего поколения.
621.865.8/Г93
Гудинов, В. Н. История мехатроники и робототехники: введение в специальность : конспект лекций / В. Н. Гудинов, В. Г. Хомченко ; ОмГТУ. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2011. - 51 с.
В конспекте лекций даны основные понятия и определения, связанные с автоматизацией на базе робототехники и мехатроники, приведены примеры первых в истории человечества самодействующих устройств и систем, а также в кратком виде изложены основные этапы истории развития промышленных роботов, роботизированных технологических мехатронных комплексов.
