УДК 539.3

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА УТЕЧКИ ЧЕРЕЗ  МАНЖЕТНЫЙ  ГЕРМЕТИЗАТОР ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ВАЛА

 

INVERSTIGATION  OF THE  MECHANISM OF THE TRANSFUSION      OVER  THE SEALS FOR  ROTATING  SHAFTS

       

Журавлева С.Н.

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

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

 

Рассмотрено влияние силовых факторов и линейных параметров на   механизм утечки  в манжетном уплотнении.

It is considered of the influence power factors and  linear sizes for mechanism of the transfusion over  seals for rotating shafts.

     

Ключевые слова: привод, манжетное уплотнение вращающихся валов, зона контакта,  силовые факторы,  механизм утечки, промежуточный слой

Keywords: drive, seals for rotating shafts, contact zone, power factors,  mechanism of the transfusion, intermediate layer

                    

При модели­ровании на ЭВМ процесса деформирования резинового уплотнения при монтаже его на вал, на базе многофункциональной программы «Мangeta». 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. Исследования проводились методами аппроксимации и линеаризации с учетом ряда ограничений. В качестве расчетного режима работы привода технологического оборудования рассматривался стационарный (установившийся), равновесный режим. При проведении исследований были учтены ряд конструктивных и технологических особенностей резиновых манжетных уплотнений, когда контакт манжеты с вращающимся валом происходит 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 в условиях работы уплотнения при  граничном и жидкостном трении. 

В результате решения контактной задачи с наибольшей вероятностью определена начальная ширина зоны контакта  а, проанализиро­вано влияние расчетных параметров на характер изменения контактного давления q рабочей кромки манжеты на вал в радиальном сечении и определен характер изменения касательных напряжений τ при вращении вала. Эти исследования опубликованы  в  статьях [ 1, 2].

В конструкции  приводов технологического оборудования  зубчатые колеса  и подшипниковые узлы редукторов большей частью смазываются масляным туманом. Масляный туман, частично оседая на стенках корпуса редуктора, образует пленку, которая под воздействием сил гравитации ргр  стекает вниз и попадает на кольцевой  охватывающий контакт неподвижной рабочей кромки манжетного уплотнения и вращающегося вала (рисунок 1). Адгезионные связи смазывающей жидкости удерживают на вращающемся валу пленку толщиной в несколько молекулярных слоев hсм  (в пределах 1,5·10-3мм), а лишняя смазка за счет сил инерции удаляется с поверхности  вращения [3].

В зоне контакта частицы смазки смешиваются с продуктами износа и образу- ют структуру «третьего тела». Из-за неуправляемого процесса его образования на поверхности контакта возникают дислокации. Скопление дислокаций приводит к зарождению микропустот, образованию трещин, в которых скапливается смазка [4]. При совместном воздействии внешних силовых факторов и турбулентного касательного напора Pтн заполненные смазкой трещины закрываются и перемещаются в менее нагруженную, краевую зону контакта. Достигнув средины зоны контакта под воздействием максимальной величины силы трения Fтр, продвижение трещин приостанавливается. В этих условиях формируется минимальная толщина «третьего тела» h, и образуется выпуклый мениск, который охватывает кольцевой контакт неподвижной рабочей кромки манжетного уплотнения с вращающимся валом, обеспечивая герметизацию уплотнения (рисунок 1).

Расчетом установлено, что для конструкции типовых манжетных уплотнений применяемых в технологическом оборудовании, величина нижнего критерия Рейнольдса находится в пределах от 2000 до 6000, что свидетельствует о том, что слои смазки на поверхности контакта рабочей кромки с валом находятся в турбулентном режиме. Турбулентное вращательное движение характеризуется непрерывным перемешиванием структуры «третьего тела», когда частицы смазки наряду с движением по направлению вращения, совершают поперечные перемещения, которые в силовом анализе характеризуются как турбулентный касательный напор Pтн [3].

Известно, что турбулентный поток по существу нестационарен. Однако при постоянных характеристиках установившегося вращательного движения тонкого слоя смазки вместе с валом происходит пульсация скорости и давления около некоторых средних значений, что даёт возможность считать такой турбулентный поток условно стационарным [3].

Турбулентный касательный напор Pтн , который направлен по оси вращения, вместе с избыточным давлением уплотняемой среды Рж нагнетает частицы смазки в зону контакта манжеты с валом, где они удерживаются там силами трения Fтр и силами поверхностного натяжения Pпн мениска. В этих условиях герметизация манжетного уплотнения, в первом приближении, описывается уравнением состояния

                                  Fтр + Pпн  ≥ Pн + Рж,                                                  (1)

где  Fтр – сила трения  Fтр, = π∙ μ∙ а ∙ v∙  (D +2 hсм); Pпн - сила поверхностного натяжения мениска Pпн = 2π-1∙ μ h-1 ∙v·а∙l;  Pтн  - турбулентный касательный на- пор Pтн = π μ∙v∙ ( D + hсм);  Рж - сила избыточного давления уплотняемой среды  ( от 0,05  …0,1  Н).

1- вал; 2 – манжетное уплотнение; 3- «третье тело»; 4 – стекающий поток   смазки; 5- трещина заполненная смазкой; 6 – мениск; а – ширина зоны контакта;  h – толщина «третьего тела», hсм – толщина слоя смазки

    Рисунок 1- Расчетная схема радиального сечения  манжетного уплотнения

 

Решение уравнения состояния проводилось на ЭВМ численными методами на основе применения метода конечных разностей. Были использованы следующие значения расчетных параметров: эксплуатационный ресурс манжетного уплотнения 3000 часов при постоянной температуре 80С; изменение ширины зоны контакта рабочей кромки а от 0,2 до 0,8 мм; толщина «третьего тела» h от 0,5∙10-6 до 2,0∙10-6 м; условная динамическая вязкость «третьего тела» μ от 0,095∙10-3 до 0,195∙10-3 Н·с/м2; диаметр вала Dв = 60 мм.; скорость скольжения от 2 до 5 м/с.; длина дуги мениска l от 1,0∙10-3 до 1,9∙10-3 м.

Структурный анализ компонентов, входящих в уравнение состояния, показывает, что если сумма силовых факторов (Fтр + Pп н ) будет больше или равна сумме (Pтн+Рж), то условие гарантированной герметизации  обеспечивается.

Применение численных методов при одинаковых краевых условиях и величинах расчетных параметров позволило определить числовые значения каждого компонента, входящего в уравнение состояния. Так сила трения на площади контакта рабочей кромки с вращающимся валом, в пределах изменения расчетных параметров, изменяется от 0,178 до 0,254 Н. Сила поверхностного натяжения мениска изменяется от 0,023 до 0,172 Н. Сила избыточного давления - от 0,05 до 0,1 Н. Сила турбулентного касательного напора - от 0,0016 до 0,047 Н. Анализ результатов расчета показывает, что превышение левой части уравнения состояния над правой составляет по минимальным значениям - в 2,12 раза, а по максимальным - в 1,6 раза. По этим показателям можно судить о работоспособности манжетного уплотнения  во всем диапазоне расчетных параметров.

При вращении вала в тонком слое «третьего тела» под воздействием гидродинамического напора при максимальной линейной  скорости v происходит кольцевой срез молекулярных связей по площади контакта S =2 π· а (Rв + hсм ) с образованием турбулентных завихрений и пульсаций скорости. Этот слой является самым слабым в структуре «третьего тела», так как только по этому слою происходит утечка смазки, что соответствует закону градиента скоростей dv/ dh, когда на поверхности контакта максимальной величине линейной скорости соответствуют минимальные величины межмолекулярных связей.

В расчетной модели манжетного уплотнения (рисунок 1) мениск 6 является конечным элементом, обеспечивающим нормальную работу уплотнения. Эффективность работы герметизатора зависит от величины параметров «третьего тела»: динамической вязкости μ, температуры, размеров h и l, коэффициента поверхностного натяжения мениска σ. Его основным расчетным параметром является сила поверхностного натяжения Pпн,, которая определяется по приведенной выше формуле.

По результатам расчета построен график (рисунок 2), по которому проведен анализ влияния основных расчетных параметров на характер изменения силы поверхностного натяжения мениска Pпн .

           

Рисунок 2- График зависимости силы поверхностного натяжения мениска Pпн   от длины дуги мениска l и толщины «третьего тела» h в манжетном уплотнении

 

На графике видно, что при увеличении l в каждом расчетном шаге  происходит увеличение Pпн , а максимальная величина Pпн получается при минимальной величине h. При величине длины дуги мениска l меньше 1мм сила поверхностного натяжения мениска Pпн стремится к нулю. В этих условиях манжетное уплотнение не обеспечивает гарантированной герметизации. С увеличением толщины «третьего тела» h в каждом расчетном шаге происходит линейное уменьшение Pпн. По тенденции изменения величины угла наклона прямых ав и бс на рисунке 2, установлено, что  при  линейных продолжениях этих прямых до пересечения с горизонтальной плоскостью, величина Pпн уменьшается до нуля, при этом толщина «третьего тела» становится максимальной и в данном расчетном варианте не превышает 2,7∙10-6м. В этих условиях манжетное уплотнение теряет уплотнительные функции, появляется утечка смазки.

        В результате применения линейного программирования и решения практических задач численными методами определен  менее нагруженный кольцевой слой на поверхности контакта рабочей кромки манжетного уплотнения и вращающегося вала, где происходит утечка смазки, вычислены  уровни  максимальных  и минимальных величин компонентов уравнения состояния. Проведенные исследования  позволяют  определять  причины появления утечки смазки и осуществлять прогнозирование надежной работы манжетных уплотнений.

               

Список использованных источников

1. Журавлева С.Н. Моделирование износа манжетных уплотнений для вращающихся валов // Новые материалы и технологии в машиностроении. 2012. № 15. С.60-64.

2. Журавлева С.Н. Повышение износостойкости  манжетных уплотнений для вращающихся валов // Новые материалы и технологии в машиностроении.  2014. № 19. С. 53-58.

3. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа: Учеб. для вузов. 7е изд., испр. М:. Дрофа, 2003. 840 с.

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