ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ   МАНЖЕТНЫХ УПЛОТНЕНИЙ, ПРИМЕНЯЕМЫХ  В ПРИВОДАХ  ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ 

 

INVERSTIGATION OF WARE RESTSTANCE OF TNE SEALS FOR MECHANISMS SETTING IN MOTION TECHNOLOGICAL EQUIPMENT

                   

Журавлева С.Н. (КубГТУ, г. Краснодар, РФ)

Zhuravleva S.N. (The Kuban state technological university)

 

Рассмотрены результаты износостойкости  манжетных уплотнений, применяемых в приводах технологического оборудования

Ihe resultg of inverstigationg of  ware resistance of the seals for mechanisms setting in motion technological eguipment

 

Ключевые слова: привод, износостойкость, манжетные уплотнения, контактное давление  

Keywords:, drive, ware resistance, seals, contact  pressure

 

В приводах технологического оборудования манжетные уплотнения находят широкое применение. Часто из-за преждевременного износа манжетных уплотнений происходит недопустимая утечка смазки, которая приводит к поломке целого агрегата. Кроме того, от  необеспечения гарантированной герметизации уплотнения ухудшается санитарное состояние, создается пожарная опасность на участке, где расположен привод (рис. 1), а простои в ремонте сказываются на снижении экономических показателей предприятия.  Комплекс этих факторов  превращается в проблему там, где эксплуатируется оборудование  без наличия  резервных механизмов. 

Рисунок 1 - Фрагменты  разгерметизации  узлов уплотнения в приводах                                      технологического  оборудования

     

Известно, что из-за особенностей технологии изготовления, рабочая кромка  манжетных уплотнений имеет волнообразный характер и определяется  высотой геометрической конфигурации неровностей   δ1, а  погрешности, связанные с  изготовлением и монтажом деталей уплотняемого узла характеризуются радиальным  биением  δ2. Суммарную   величину  этих погрешностей δΣ = (δ1 + δ2) принимаем как эксцентриситет в системе вал - манжетное уплотнение.

Для обеспечения гарантированной герметизации уплотняемого узла привода резиновые манжетные уплотнения устанавливаются на валы с натягом . При этом рабочая кромка вместе с прилегающими конструктивными элементами уплотнения подвергается сложным деформационным процессам. Периферийные участки рабочей кромки, которые вступают в контакт с валом, подвергаются кольцевому растяжению. Под воздействием осевого монтажного усилия волнистая поверхность рабочей кромки манжеты при натяге на вал  растягивается. При этом величина натяга ∆ должна быть больше высоты геометрической конфигурации неровностей  δ1 . В зоне контакта рабочей кромки под воздействием растягивающих напряжений, в пределах линейной деформации, изотропное состояние резины определяет незначительную ориентацию молекулярных связей. При этом  происходит некоторая перестройка полей напряжений молекулярной структуры резины. Поэтому  при контакте рабочей кромки с валом не происходит  упрочнение поверхностной структуры резины.

Рабочая кромка манжетного уплотнения находится в постоянном контакте с валом. Предварительный натяг манжеты на вал  способствует образованию постоянной фактической площади контакта. При вращении вала точки контакта расположены на одной траектории сопряженных тел, поэтому они имеют постоянные условия трения и износа. В манжетных уплотнениях величина относительного сближения контактирующих поверхностей, которая выражается отношением величины касательного напряжения τ к статическому модулю упругости резины Е, во много раз больше чем в других узлах трения (подшипни –ках скольжения, кулачковых механизмах), что следует учитывать при проведении исследований по износу трущихся поверхностей. Величина относительного сближения  оказывает значительное влияние  адгезионной (молекулярной) составляющей на величину общего коэффициента трения . В начальный момент эксплуатации относительное сближение имеет максимальную величину при Е=соnst. Этот период (период приработки) характеризуется повышенным износом рабочей кромки, и, поэтому,  не исследовался. В качестве расчетного режима работы привода технологического оборудования рассматривался стационарный (установившийся), равновесный режим, который с наибольшей вероятностью позволяет оценить процесс износа манжетного уплотнения.

При вращении вала на контактирующей поверхности возникают касательные напряжения τ, которые являются определяющим фактором износа рабочей кромки. Эксцентриситет в системе вал - манжетное уплотнение является источником образования  вынужденных колебаний элементов манжетного уплотнения с частотой колебаний, равной числу оборотов вала. На контактирующей поверхности рабочей кромки манжетного уплотнения переменные по величине касательные напряжения приводят к дополнительному увеличению переменных по величине напряжений растяжения. Под воздействием периодически изменяющихся малых деформаций растяжения элементов рабочей кромки уплотнения происходит  изменение механических свойств резины (контактная усталость - утомление). При утомлении резины происходит не только разрыв углеводородных цепей  каучука, но и  поперечных связей  между молекулами, которые создаются в основном составными ингредиентами. В результате частично распадается вулканизационная сетка, что является  основной причиной  более быстрого износа рабочей кромки. Наличие гладкой полированной поверхности износа рабочей кромки свидетельствует о фрикционном усталостном процессе истирания резины в режиме скольжения по относительно гладкой стальной поверхности вала (рисунок 2).

      Рисунок 2 - Радиальный разрез изношенного манжетного уплотнения

 

Исследования износостойкости манжетного уплотнения проводились методами физико-математического моделирования. Модель манжетного уплотнения представлена как тело вращения сложной конической формы с осесимметричным нагружением в цилиндрической системе координат.

На базе этой модели создана многофункциональная программа «Мangeta». По этой программе на ЭВМ смоделирован  процесс деформирования  резинового уплотнения при монтаже его на вал и процесс трения рабочей кромки о вал, где определяющие уравнения  решались с использованием  методов линейной теории упругости  в вариационной постановке, а контактная задача решалась на базе принципа возможных перемещений с помощью метода конечных элементов в матричной форме. Применение методов аппроксимации и линеаризации позволило решать  поставленную задачу на ЭВМ. Результаты проведенных исследований частично опубликованы в статье [ 1].

Исследование  износостойкости манжетного уплотнения проводилось при введении в программу расчетных параметров в следующих пределах: радиальный натяг Δ от 0,5 до 1,5 мм; ширина зоны контакта рабочей кромки а от 0,1 до 1мм; модуль  упругости Е от 5,5 до 12 МПа; величина эксцентриситета δΣ от 0,07 до 0,1 мм; диаметр вала Dв от 20 до 120 мм; коэффициент трения  резины по стали f от 0,4 до  0,8.

На основе анализа результатов расчета, полученных при решении контактной задачи методом конечных элементов, установлено, что при вращении вала касательное напряжение τ на поверхности трения рабочей кромки манжеты выражается уравнением.

                        τ = 0,25 · ∆0,8· f ·Е0,63 ·.                                     (1)

При наличии эксцентриситета создаются переменные по величине касательные напряжения τ. В условиях гармонического режима по заданной синусоидальной деформации расчетные значения τ определялись при максимальной величине амплитуды δ. Напряжённое и деформированное состояние материала манжеты в поверхностном слое формируется под воздействием как нормальных, так и касательных сил. Износ поверхности трения резинового материала манжеты происходит в результате усталостного механизма разрушения. Такой механизм в первую очередь обусловлен дискретным характером фрикционного контакта. Это означает, что в процессе внешнего трения происходит многократное деформирование резинового материала манжеты в фактической зоне контакта, которое приводит к разрушению и последующему отделению материала. Для рассматриваемых условий определялось общее число нагружений N рабочей кромки при фрикционном усталостном износе по формуле [2],

                              .                    N = (σ0 / k·τуд)t                                                           (2)

где σ0 - эквивалентное напряжение в точках контактирующей поверхности резинового материала (устанавливалось как постоянная величина 22 МПа);

к – коэффициент пропорциональности между эквивалентным напря- жением σ0 и удельной силой трения τуд, (при принятой гипотезе прочности  для резин  к  = 7);

τуд - удельная сила трения;

t  - параметр фрикционной усталости резин (при длительном действии переменной нагрузки  принимался  равным 5) [3].

В  формуле (2) удельная сила трения определялась по максимальному амплитудному значению эксцентриситета δΣ  в цикле нагружения  с учетом величины касательного  напряжения τ, определяемого по формуле (1).

Таким образом, в исследуемой модели, сложное напряженное состояние материала при трении сводится к одноосному напряженному состоянию, при котором усталостное разрушение подчиняется зависимости (2).

Моделирование на ЭВМ режимов напряженного состояния позволяет оценить влияние  величины радиального натяга на характер изменения касательных напряжений и определить предельное число циклов усталостного фрикционного износа рабочей кромки манжетного уплотнения вращающегося вала при наличии эксцентриситета в уплотняемом узле. Результаты расчетов приведены на рисунке 3, и показывают, что при величине эксцентриситета 0,07мм (график 1), расчетное допускаемое число циклов при вариантах радиального натяга в пределах от 0,5 до 1,5 мм составляет от 25 до 8 х108. С увеличением эксцентриситета от 0,08 до 0,1 мм (графики, 2, 3, 4) просматривается снижение допускаемого числа циклов почти в три раза от 12 до 3 х 108. В уплотнительных узлах с эксцентриситетом более 0,1 мм создаются условия для повышенного усталостного фрикционного износа манжетных уплотнений. Проведенный корреляционный анализ показывает, что при усталостном износе рабочей кромки уплотнения по величине коэффициента корреляции r = 0,82, установлена обратная зависимость между радиальным натягом и допускаемым числом циклов.

На основе физико-математического моделирования процессов усталостного износа рабочей кромки манжетного уплотнения следует,  что увеличение радиального натяга обеспечивает увеличение контактного давления  и касательных напряжений на поверхности трения, что способствует обеспечению герметизации, но в значительной мере снижает срок службы манжетного уплотнения по причине повышенного усталостного фрикционного износа.

                      

Рисунок 3 - Графики зависимости числа циклов  усталостного фрикционного износа рабочей кромки манжетного уплотнения от величины радиального натяга  при различной величине эксцентриситета δΣ :  1- при δ = 0,07 мм; 2- при δ = 0,08мм: 3 – при δ = 0,09мм: 4 – при  δ = 0,1мм.

 

В расчетную модель введен показатель герметизации манжетного уплотнения, который наиболее точно описывается формулой λ = 1–1/е [2], а результаты расчета представлены на  рисунке 3 графиком 5. На рисунке 3 видно, что  точки пересечения графика 5 с линиями, характеризующими изменение предельно-допустимого числа циклов, при усталостном фрикционном износе рабочей кромки представляют базовое число циклов нагружения Ni, величина которого соответствует выбранному радиальному натягу ∆ в зависимости от эксцентриситета δΣ.

В результате проведенных исследований сделаны следующие выводы:

Для обеспечения гарантированной герметизации манжетных уплотнений в пределах регламентируемых сроков службы, необходимо:

- перед монтажом манжетного уплотнения на вал проводить обмер геометрических размеров манжеты, особое внимание обратить на диаметр рабочей кромки, который не должен иметь разностенность, превышающую установленную ГОСТ 8752 -79;

- величина диаметра манжеты по рабочей кромке должна соответствовать диаметру вала.  При этом радиальный натяг не должен превышать 0,5 мм, так как  при увеличении радиального натяга  до 1 - 1,5мм происходит  интенсивный износ рабочей кромки и  значительно снижается  срок службы уплотнения; 

- повысить качество  монтажа манжеты на вал и точность изготовления деталей уплотняемого узла, при этом суммарный эксцентриситет не должен превышать 0,1 мм.

Список использованных источников

1. Журавлева С.Н, Моделирование процесса износа рабочей кромки  манжетного уплотнения (статья), депонирована в ВИНИТИ, 28.06.2006г. №836. – 2006. - 9с.

2. Крагельский  И.В., Добычин М.Н.,  Комбалов В.С. Основы расчета  на трение и износ. - М.: Машиностроение, 1977. - 528 с.

3. Бартеньев Г.М., Лаврентьев В.В. Трение и износ полимеров. – Л. Химия, 1972. – 240 с.