УДК 539.3

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОЛНОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА        ТОЛЩИНУ ПРОМЕЖУТОЧНОГО СЛОЯ В ЗОНЕ КОНТАКТА

         МАНЖЕТНОГО УПЛОТНЕНИЯ С  ВРАЩАЮЩИМСЯ ВАЛОМ

 

INVERSTIGATION  OF THE  INFLUENCE COMPLETE PRESSURE

ON THE THICKNESS OF INTERMEDIATE LAYER IN CONTACT ZONE OF THE SEALS WITH ROTATING  SHAFTS

       

Журавлева С.Н.

(Кубанский государственный технологический университет, г. Краснодар, РФ)

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

 

        Рассмотрено влияние полного напряжения  на  толщину промежуточного     слоя в манжетном уплотнении.

        It is considered of the influence complete  presssure on the thickness of seals

  intermediate layer.

   

Ключевые слова: привод, манжнтное уплотнене, полное напряжение, зона контакта,  промежуточный слой

Key words: drive, seals for rotating shafts, complete  pressure, seals intermediate layer

 

Для обеспечения гарантированной герметизации вращающихся валов приводов технологического оборудования манжетные уплотнения при монтаже  на вал устанавливаются с натягом. Предварительный натяг манжеты на вал способствует образованию контактного давления q и фактической площади контакта. При вращении манжетного уплотнения и  вращающегося вала точки их контакта имеют постоянные условия трения и износа, а неподвижная рабочая кромка вместе с прилегающими конструктивными элементами уплотнения подвергается сложным  деформационным  процессам. В большей мере кольцевому растяжению и сжатию подвергаются участки рабочей кромки, которые вступают в контакт с ва­лом. При вращении вала на по­верхности контакта рабочей кромки манжеты добавляются касательные напряжения τ (рисунок 1).

В манжетном уплотнении контакт манжеты с вращающимся  валом про- исходит по кольцевой охватывающей поверхности, а путь трения в любой точке истираемой поверхности одинаков. При этом  контактное  давление и износ  рабочей кромки распределяются равномерно по всей  фактической площади  контакта. С учетом этих факторов проведено  физико-математическое моделирование процессов напряженного состояния манжетного уплотнения при монтаже его на вал с натягом.  Для этих условий  с использованием методов линейной теории упругости на базе принципа возможных пе­ремещений с помощью метода конечных элементов в матричной форме  решена контактная  задача, по результатам которой определена начальная  ширина зоны контакта а, и проанализиро­вано влияние  расчетных параметров  на характер  изменения контактного давления q рабочей кромки манжеты на вал в радиальном сечении. Результаты этих исследований опубликованы в статьях [1, 2].

На основе структурного анализа результатов расчета, полученных при решении контактной задачи, установлено, что  касательные напряжения τ на по­верхности контакта рабочей кромки манжеты в радиальном сечении при максимальной величине скорости скольжения vmax=соnst распре­деляются по нормальному закону и выражаются  уравнением,

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

где  Δ  –  радиальный натяг; а – ширина зоны контакта;  f – условный коэффициент трения при скольжении резины по стали; Е – статический модуль упругости  резины.

1- неподвижная рабочая кромка; 2- вращающийся вал; 3- «третье тело»;

 q – эпюра  радиального контактного напряжения; τ – эпюра касательного напряжения;  F  - сдвигающая нагрузка; рат– атмосферное давление;  рж- давление уплотняемой среды

Рисунок 1 -  Схема структуры «третьего тела» по радиальному сечению модели манжетного уплотнения

 

Проведенные исследования показывают, что при вращении вала максимальные величины контактного q  и касательного напряжения τ,  приходятся на средину зоны контакта. При таком распределении  силовых факторов продукты износа  частично выдавливаются со средины зоны контакта в менее нагружен- ную, периферийную зону, и удерживаясь там, образуют охватывающий кольце- вой мениск на неподвижной боковой поверхности рабочей кромки (рисунок 1). Рыхлые, активные продукты износа резины при воздействии термомеханических факторов смешиваются с уплотняемым маслом, полимеризируются и, вступая в химическое взаимодействие с окружающей средой, способствуют образованию «третьего тела», которое играет роль граничной смазки  на поверхности контакта рабочей кромки манжетного уплотнения с валом. Толщина «третьего тела» h в радиальном сечении является важным расчетным параметром, оптимальная величина которого обеспечивает условия наименьшего износа  при гарантированной герметизации уплотнения (рисунок 1).

Исследования, проведенные Крагельским  И.В.[3], Бартеньевым Г.М. [ 4]   и Лукомской А.И. [ 5] свидетельствуют о том, что «третье тело» можно условно считать «неньютоновской жидкостью», которая под воздействием сдвигающей нагрузки F «течет» в узком зазоре между вращающимся валом и неподвижной рабочей кромкой манжетного уплотнения. Динамическая вязкость «третьего тела», в первом приближении, имеет величину на порядок меньше, чем у резины. Наблюдения показывают, что при  остановке  вращения  вала,  когда   v = 0  и  τ = 0 ширина пленки уменьшается, мениск втягивается, и пленка приобретает начальную форму. Это свидетельствует о том, что «третье тело» обладает свойствами высокоэластического материала, которому свойственны обратимые деформации, приводящие к восстановлению первоначальной формы и размеров при прекращении вращения вала.

В период пуска привода, когда сдвигающая нагрузка F на поверхности контакта вала с рабочей кромкой уплотнения  превосходит величину полной силы трения  покоя. При vmax  происходит механический срез, а слой «третьего тела», охватывающий вращающийся вал, благодаря силам молекулярного сцепления, начинает скользить по поверхности вала. Верхний слой «третьего тела», который  охватывает неподвижная рабочая кромка манжеты, остается в покое. Со стороны заторможенных верхних слоев на нижние  действуют силы внутреннего трения.  Промежуточные слои, подчиняясь закону градиента скорости dv/dh, движутся так, что каждый нижний слой  обладает скоростью  большей, чем лежащий над ним. Разрушение связей  может происходить  как на поверхности формирования (адгезионное разрушение), так и на некоторой глубине (когезионное разрушение). Сдвиговое сопротивление «третьего тела»  определяется  прочностью  единичной связи, необходимой  для ее разрушения, которая  оценивается  энергией активации [3, 4].

На основе проведенного анализа можно сделать вывод, что под воздействием неуправляемых термомеханических факторов при  контакте рабочей кромки с вращающимся  валом все процессы  молекулярного взаимодействия  (рекомбинации, трения и износа)  протекают в «третьем теле».  

Основной причиной  высокоэластических свойств у резины является гибкость молекулярных связей, которая обусловлена тем, что в цепях главных валентностей  имеются  простые связи, способные  поворачиваться или вращаться  относительно друг друга. Термомеханическое  движение вызывает превращение одних конформаций в другие и способствует перемещению  молекул  между слоями.

Для исследования влияния основных параметров  на формирование «третьего тела» и его толщину h выбран стационарный (при vmax = соnst), равновесный режим  загрузки  привода технологического оборудования.  В этих условиях  формирование «третьего тела» происходит под воздействием полного напряжения  р в зоне контакта, которое определялось по известной формуле  р= (рисунок 1). 

С учетом характерных особенностей трения рабочей кромки манжетного уплотнения о вращающийся вал  проведено расчетное исследование условий  формирования  параметров «третьего тела» с использованием модели  классической зависимости, определяющей толщину промежуточного слоя h между трущимися поверхностями,  которая прямо пропорциональна его сдвиговой  вязкости μ, линейной скорости на  поверхности  контакта v, и  обратно пропорциональна величине  полного напряжения  р [ 5].  Путем  аналитической систематизации рассматриваемых параметров и теоретических формул   получена зависимость, определяющая  характер изменения толщины  h «третьего тела» в манжетном уплотнении.  

h = 0,4 ·к· μ · v ·р-1· Е-0,63·· · (1+ 0,5 f 2)-1                       (2)

где  к – корректирующая  зависимость  сдвиговой вязкости от  температуры;

 μ - условная сдвиговая вязкость «третьего тела», Н·с /м2 ; v  линейная скорость скольжения на   поверхности  контакта,  м/с. 

Расчет по формуле (2) проводился численными методами на ЭВМ при изменении 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; скорость скольжении v  от 1,5 до  5 м/с.; величина полного напряжения р от 1,45 до 3 МПа. Условная сдвиговая вязкость  «третьего тела» (при постоянной температуре 800 С) принималась в пределах  от 0,095·10-3  до 0,245·10-3, Н·с/м2.

   

Рисунок 2 – Влияние полного напряжения р и условной сдвиговой вязкости μ на характер изменения толщины «третьего тела» h

 

По результатам расчета построен график (рисунок 2), по которому проведен структурный  анализ влияния расчетных параметров на характер изменения толщины «третьего тела» h. Расчеты показывают, что с уменьшением  величины полного напряжения р , в связи с износом, на поверхности контакта во всем диапазоне изменения  условной сдвиговой вязкости  происходит линейное увеличение толщины «третьего тела» h. Так при уменьшении   р  с  2,95 МПа  до 1, 45 МПа (почти в два раза) во всех  расчетных шагах изменения условной сдвиговой вязкости  μ  происходит  увеличение толщины «третьего тела» h   в  2, 5 …3 раза.  При  увеличении условной сдвиговой вязкости  μ в два раза в каждом расчетном шаге изменения полного напряжения р толщина «третьего тела» h пропорционально увеличивается. Проведенный корреляционный анализ  показывает, что полное напряжение р и условная сдвиговая вязкость μ при величинах коэффициентов корреляции, соответственно,  - 0,97 и  0,86, имеют тесную взаимосвязь и функциональное влияние на изменение толщины «третьего тела».

Решение линейной задачи  в первом приближении, позволяет прогнозировать  оптимальные условия работы манжетного уплотнения и определять начальную величину полного напряжения (р ≥ 3,5 МПа), при котором не образуется  «третье тело», т.е  h= 0 для всего диапазона изменения условной сдвиговой вязкости  μ (рисунок 2).

Для обеспечения  гарантированных условий герметизации и длительного срока службы манжетного уплотнения  с устойчивым  образованием «третьего тела» целесообразно перед монтажом уплотнения  на вал измерять внутренний диаметр рабочей кромки, и подбирать уплотнение, обеспечивающее  радиальный натяг в пределах от 0,5 мм до 1,0 мм, которому соответствует  величина полного напряжения р от 1,45 МПа до 2,45 МПа при  толщине  «третьего тела» h от 2,6 А до 3,3 А.   

Список использованных источников

1. Журавлева С.Н. Моделирование износа  манжетных уплотнений для вращающихся валов. Сборник  научных трудов  по итогам  международной  научно-технической конференции. Выпуск 15. – Брянск: БГИТА, 2012. -  С.60-64.

2. Журавлева С.Н. Повышение износостойкости  манжетных уплотнений  для вращающихся валов. Сборник  научных трудов  по итогам  международной  научно-технической конференции. Выпуск 19. – Брянск: БГИТА, 2014. -  С.53-58.

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

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

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