УДК 539.3

ПОВЫШЕНИЕ  ИЗНОСОСТОЙКОСТИ 

МАНЖЕТНЫХ УПЛОТНЕНИЙ ДЛЯ ВРАЩАЮЩИХСЯ ВАЛОВ

 

RISING OF  RESISTANCE OF THE SEALS FOR ROTATING SHAFTS

                   

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

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

 

Исследовано повышение  износостойкости  манжетных уплотнений для вращающихся валов

 Inverstigation of   resistance of  the seals for rotating shafts

 

Ключевые слова:  износостойкость, манжетные уплотнения для вращающихся валов, контактное давление  

Key word:  resistance, seals for rotating  shafts,   contact  pressure

 

Работоспособность узлов трения механических передач во многом зави­сит от эффективного обеспечения разделительных и уплотнительных функций манжетных уплотнений. Часто из за их несвоевременного износа происходит недопустимая утечка смазки, которая приводит к выходу из строя целого агре­гата. Особую актуальность эта проблема имеет место для технологического оборудования, кото­рое эксплуатируется на участках без наличия резервных механизмов.

Для обеспечения гарантированной герметизации манжетные уплотнения устанавливаются при монтаже  на вал с натягом, а для снижения влияния релаксации напряжения в резиновых уплотнениях герметизация достигается  путем  установки кольцевой металлической пружины, которая, охватывая рабочую часть, обеспечивает более постоянное напряжение в области контакта ее с валом. Применение кольцевой  пружины наряду с положительными факторами имеет ряд существенных недостатков, таких как: отсутствие контроля при соединении концов пружины перед укладкой её  на кольцевой жёлоб уплотнения;  исключение визуальной  оценки  качества монтажа уплотнения на вал; трудоемкость  замены  манжетного  уплотнения при  рассоединении концов пружины.  

В качестве альтернативного варианта манжетного уплотнения  предлагается модель уплотнительной манжеты без кольцевой пружины (патент № 2117838) [1]. В этой модели  опорное кольцо и уплотнительный поясок с рабочей кромкой  связаны  между собой  радиальными секторами  переменного сечения с плавным переходом на соединяемые элементы, что обеспечивает  равномерное  распределение  контактного давления по охватываемой кольцевой поверхности, а по мере износа  рабочей кромки  деформируемые  элементы  восстанавливают плотность контакта. В этой модели уплотнения дополнительно предусматривается  поверхностное упрочнение рабочей кромки. Такая модель манжеты имеет неоднородные физико-механические  свойства по сечению при достаточной эластичности внутренних элементов манжеты и повышенной  поверхностной твердости.

С целью исследования влияния геометрических и механических парамет­ров на характер распределения контактного давления по рабочей кромке ман­жетного уплотнения разработана физико-математическая модель манжетного уплотнения, в которой оно представлено как тело вращения ко­нической формы с поверхностным упрочнением.

В: этой модели определяющие уравнения составлены с использованием линейной теории упругости в вариационной постановке задачи с осесиммет-ричным нагружением в цилиндрической системе координат, а контактная задача решена методом линейной теории упругости на базе принципа возможных пе­ремещений с помощью метода конечных элементов в матричной форме по раз­работанной программе для  ЭВМ на языке Турбо Паскаль [2].  Применение этой программы позволило вводить  в  начальные  условия   модели  параметры  как с  постоянным  модулем   упругости   Е0 ,  так  и   при  переменной    величине упрочненного слоя,  в виде зависимости  Еi = Е0·еh  при изменении  h от 0,1 до 0,5 мм [2]. Анализ деформационных процессов проводился без учета  релаксационных  эффектов при линейных характеристиках резины и при установившемся стационарном режиме нагружения. 

По этой программе на ЭВМ смоделирован процесс упругого деформиро­ва- ния резинового элемента с поверхностным упрочнением при монтаже его на вал с радиальным натягом Δ. Применение метода конечных элементов в расчете  напряженного состояния  манжетного уплотнения позволило  определить начальную  величину  ширины зоны контакта а, а также проанализиро­вать влияние  расчетных параметров  на характер изменения контактного давления q рабочей кромки манжеты на вал в радиальном сечении. Эпюры распределения  контактного давления q  в радиальном сечении рабочей кромки манжетного уплотнения  при постоянном модуле упругости и  с упрочненным слоем приведены на рисунке 1. 

 

   1 – эпюра контактного давления при постоянном модуле упругости;

   2 – эпюра контактного давления с поверхностным  упрочненным слоем 

Рисунок 1 – Эпюры распределения  контактного давления q  в радиальном сечении рабочей кромки манжетного уплотнения 

    

Анализ результатов решения контактной задачи на основе метода конечных элементов  показывает, что при равных расчетных  условиях, максимальная величина контактного давления  в радиальном сечении  манжетного уплотнения приходится на  средину  ширины зоны контакта. В расчетном варианте манжеты с упрочненным слоем, по сравнению с вариантом  манжеты при  постоянном модуле упругости,  контактное давление увеличивается на 20%,  а ширина зоны контакта  снижается на 19 % (рисунок 1).

В связи с малостью ширины зоны контакта, которая не превышает 0,55 мм,  продукты износа резины частично выдавливаются  с поверхности трения в свободную  периферийную зону, а на поверхности контакта рабочей кромки манжетного уплотнения  с валом образуется пленка разной ширины. Эту пленку  называют «третьим телом», которое состоит из смазки, частиц абразива, адсорбированных паров воды и деградированного материала резины (рисунок2). Процессы молекулярного взаимодействия рабочей кромки с валом  в основном протекают в «третьем теле»  и затрагивают  поверхностные слои  рабочей кромки   на глубине  сотых долей микрометра [3]. При вращении вала при длительном  силовом и температурном воздействии  составные части   «третьего тела» втираются  в поверхность вала, образуя  прочную кольцевую дорожку, которая состоит  в основном из активных частей продуктов износа резины.  Ширина кольцевой дорожки в 1,5 …2  раза больше ширины зоны контакта а. Это частично связано с осевым биением вала при изменении  нагрузки привода и с втиранием активных ингредиентов «третьего тела» в поверхность вала (рисунок 2). Сдвиговое сопротивление  третьего тела определяется  прочностью  единичной связи, обычно оцениваемой  энергией активации, необходимой  для ее разрушения.

1) манжетное уплотнение с поверхностным упрочнением; 2) вал;  3) третье   тело, 4) расчетное сечение изношенного объема

Рисунок 2 –  Схема контакта манжетного уплотнения с валом 

 

Известно, что под воздействием  основных факторов: касательного напряжения τ, окружной скорости v, суммарного коэффициента трения f  на поверхности трения  создается  повышенная температура Т, что приводит к снижению физико-механических свойств резины и  величины модуля упругости резины Е,  и, как следствие, происходит снижение  износостойкости рабочей кромки уплотнения [4].

Анализ результатов исследований  позволяет уточнить механизм износа  манжетного уплотнения и сделать вывод, что при остановке привода  температура на поверхности трения  снижается, увеличивается  вязкость структуры «третьего тела», а при постоянно-действующем контактном давлении q, увеличивается способность прилипания резины к стальному валу.  При повторном пуске привода происходит срез временных молекулярных связей. Срез  происходит  по кольцевой  площади контакта вала с «третьим телом» при максимальной окружной скорости vmax (рисунок 2).  От  начала пуска  до  установления температуры

Т = 100оС  на поверхности  трения  происходит снижение предела прочности резины  на 25 %, а увеличение  суммарного  коэффициента трения до максимальной величины (рисунок 3). При пуске привода  и в первые минуты его  работы  рабочая кромка уплотнения имеет  наибольший процент износа.  В условиях температурного  режима от 1000С до 150оС происходит уменьшение суммарного коэффициента трения на 23%, а предел прочности резины снижается на 40%. Расчеты показывают, что при повышении температуры на поверхности контакта  свыше 1000С,  суммарный коэффициент трения  не оказывает влияния на  темп снижения механической характеристики  резины [5].

Превалирующее влияние на происходящие термомеханические  процессы тре- ния  скольжения  стального вала по рабочей кромке манжетного уплотнения оказывает температура на поверхности контакта.

  Рисунок 3 – Графики  изменения предела прочности резины  и  коэффициента трения от изменения температуры  на поверхности  контакта в манжетных уплотнениях для вращающихся валов

 

Известно, что основным  видом износа манжетных уплотнений для  враща- ющихся валов является усталостный износ при скольжении. Как правило, этот вид  износа характеризуется  объемными потерями материала рабочей кромки  dV манжетного уплотнения под воздействием работы трения Атр   [2]. Для оценки влияния  упрочнения рабочей кромки манжетного уплотнения на характер износа путем  аналитической систематизации полученных данных при решении контактной задачи выведена формула, определяющая  характер изменения сопротивления истиранию резины β при кольцевом скольжении стального вала по рабочей кромке манжетного уплотнения

                      β  = 0,94 k1 · k2  ··k3  ·                   (1)

где   k1  коэффициент, учитывающий  характер  изменения  прочности  резины  в зависимости от температуры;

k2  - симплекс, учитывающий  отношение геометрических параметров узла трения Dв / (Dв + 1,33 Δ);

k3  - коэффициент, учитывающий суммарное число оборотов вал при разных режимах загрузки привода  в пределах срока службы уплотнения; 

Δ - радиальный натяг после монтажа  манжеты на вал, м;

а –  ширина зоны контакта, м;

Dв  - диаметр вала, м;

Еi  -  статический модуль упругости резины, МПа;

Корреляционный анализ показывает, что наибольшее влияние на характер изменения величины сопротивления истиранию при скольжении β из входящих в формулу (1) параметров  оказывает  статический модуль упругости Еi  и радиальный натяг Δ.  Так если между Е  и β существует прямая функциональная зависимость (коэф- фициент корреляции 0,99), то между Δ  и  β — обратная  корреляционная зависимость (при коэффициенте корреляции  0,76). Диаметр вала Dв существенно не влияет  на увеличение износостойкости  рабочей кромки по всем расчетным вариантам. При увеличении Dв  увеличивается  металлоемкость  уплотнительного узла, а соответственно увеличивается  его теплоёмкость и теплоотдача в окружающую среду. Симплекс k2 при всех соотношениях входящих в него параметров изменяется в пределах 0, 96 …0,98 и  не оказывает существенного  влияния на характер изменения  β.

Проведенные расчеты показывают, что с увеличением статического модуля упругости резины Е  увеличивается  сопротивление  истиранию рабочей кромки  манжетного уплотнения β (рисунок 4).

графики с  постоянным модулем  упругости: 1) при  Е= 3 МПа, 2) при Е = 7 МПа;  графики с переменным модулем упругости:  3) при Е0= 14 МПа; 4) при Е0= 21 МПа

Рисунок 4 – Графики зависимости сопротивления истиранию резины β при скольжении стального вала по рабочей кромке уплотнения  от  величины  радиального натяга  Δ  и модуля упругости Е

 

Из приведенного  на рисунке 4 графика 1  следует, что если  при уменьшении величины радиального натяга от 0,8 до 0,2 мм, что происходит при износе рабочей кромки в  реальных условиях,  для манжеты со статическим модулем упругости Е 3 МПа сопротивление истиранию β изменяется  от 1,7 МДж /м3  до

6,0 МДж /м3, то при упрочнении трущейся поверхности за счет увеличения  статического модуля упругости Е до 14 МПа, при уменьшении радиального натяга в аналогичных пределах (график 3), сопротивление истиранию β увеличивается в 2,6 раза. При поверхностном упрочнении рабочей кромки с  увеличением модуля упругости  до 21 МПа  (график 4) сопротивление истиранию увеличивается в 4 раза.

На основе анализа механики процессов  износа рабочей кромки можно сделать вывод, что при кольцевом термомеханическом  контакте увеличение  статического модуля упругости оказывает влияние на стабильное непрерывное формоизменение третьего тела на поверхности трения,  на существенное снижение числа  разрываемых молекулярных связей и формирования новых связей,   как в третьем теле, так и в наиболее  деформируемой поверхности контакта рабочей кромки. В этих условиях снижаются процессы механического взаимодействия  в деформируемых элементах манжетного уплотнения. Увеличение статического модуля упругости у элементов, определяющих фактическую площадь контакта,  ведет   к  снижению   молекулярной составляющей коэффициента трения, а минимальное  реологическое сопротивление за счет  участия в контакте третьего тела повышает сопротивление истиранию  при скольжении.

Анализ деформированного состояния конечных элементов модели с по­верх- ностным упрочнением показывает, что после монтажа манжеты на вал с натягом фактическая площадь контакта рабочей кромки манжеты образуется за счет упругой деформация периферийных слоев глубиной не более 0,5 мм.

Поверхностное упрочнение рабочей кромки манжетного уплотнения за счет увеличения модуля упругости обеспечивает значительное повышение сопротивления истиранию при скольжении стального вала по резине, в результате чего прогнозируется увеличение срока гарантированной герметизации уплотнения в 2 ÷ 4 раза.

 

Список использованных источников

1. Журавлева С.Н.   Уплотнение вращающегося вала. Патент, № 2117839, 1998 г. Р 16 Л 5/32.

2. Журавлева С.Н. Моделирование износа  манжетных уплотнений для вращающихся валов. Сборник  научных трудов  по итогам  международной  научно-технической конференции. Выпуск 15. – Брянск: БГИТА, 2012. -  4 с.

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

4.  Лукомская  А.И., Евстратов В.Ф. Основы прогнозирования механического поведения каучуков и резин  - М., «Химия» 1975, -360 с.

5. Браун Э.Д., Евдокимов Ю.А., Чичинадзе А.В.   Моделирование  трения и изнашивания в машинах  – М.: Машиностроение,  1982. – 191 с.