автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.06, диссертация на тему:Совершенствование конструкции и технологии изготовления резиноармированных манжет для работы в условиях динамического нагружения

m

¡?vt

13Г

).i7 J

я и

переработка пластических масс, эластомеров и композитов

тгеЛИ ;

Доктор техн. наук, профессор ЮРЦЕВ Л, Н.

- 1998

Содержание

Введение 4

Глава 1. Литературный обзор 7

1.1, Расчеты радиального усилия 9

1.2, Влияние модификации на работу манжет 35

1.3, Обзор известных конструкций уплотнений 41

1.4, Прогнозирование сроков службы манжет 46 Выводы 57 Глава 2, Экспериментальное оборудование и

объекты для исследования 62

2.1, Описание экспериментальных устройств 62 2,1,1. Установка для фторирования манжет 63 2,1.2 Прибор для определения коэффициента

трения манжет 66

2,1,3, Прибор для измерения радиального усилия манжет 68

2.2, Выбор объекта исследования 71

Глава 3, Исследование изменения радиального усилия в динамических условиях в зависимости от различных факторов 72

3.1 Влияние биения вала на упруго-дешормаци-онные характеристики манжет 72

3.2. Влияние на радиальное усилие температуры и времени старения, а также биения вала 80

Глава 4, Расчет динамического радиального усилия прижатия рабочей кромки манжеты к валу 133 Глава 5,Повышение качества манжет путем со-

вершенствования их конструкции

Глава 6, Влияние поверхностной модификации газообразным фтором на свойства резин и манжет

5.1. Определение оптимального времени модификации

6.2. Исследование изменения свойств модифицированных образцов резин и манжет в процессе старения

6.3. Отработка технологического процесса подготовки образцов к модификации

6,4 Влияние замены каучуков на свойства модифицированных резин

Основные выводы и результаты работы

Литература

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение

Развитие современного машиностроения и транспортных средств выдвигает в ряд важнейших проблему обеспечения герметичности подвижных соединений деталей механизмов и машин.

Значительное распространение в технике получили ответственные герметизаторы устройств с вращательным движением ре-зиноармированные манжеты для валов,

В связи с ростом требований, предъявляемых к манжетам по скоростям вращающихся валов, температурным пределам работоспособности, обеспечению стойкости к различным агрессивным уплотняемым средам и многим другим эксплуатационным факторам, проблема обеспечения промышленности надежными и качественными резиновыми уплотнителями становится все более актуальной,

для обеспечения технического прогресса во всех отраслях машиностроения необходимо постоянное совершенствование конструкции и технологии изготовления резиновых манжетных уплотнителей,

Эти усовершенствования, в свою очередь, требуют развития научных представлений о механизме герметизации и причинах отказов манжет в эксплуатации, разработки новых методов расчета, их упругих характеристик и прогнозирования сроков службы,

Как показано в работах зарубежных и отечественных авторов и, прежде всего, Юровского в, С, с сотрудниками, важнейшим параметром качества манжет, определяющим их работоспособность, является радиальное усилие, Однако расчеты и экс-

— р —

периментальные определения этого параметра проводились ранее преимущественно в статических условиях, без должного учета динамических Факторов,

Большое значение приобретают также работы по модификации резиновых уплотнителей, так как позволяют повысить их качество без изменения рецептуры традиционных эластомерных композиционных материалов,

Целью настоящей работы являлось установление закономерностей изменения радиального усилия манжет в условиях, приближенных к эксплуатационным, разработка новых инженерных методов расчета радиального усилия и прогнозирования сроков службы, усовершенствование на этой основе конструкции и технологии изготовления манжет.

Установление новых закономерностей в механизме герметизации манжетами, вынесенное нами в цели работы, означает прежде всего развитие представлений о радиальном усилии как характеристическом параметре при условии его определения в динамических условиях, максимально приближенных к реальной эксплуатации,

В результате учета биения вала и других динамических факторов, действующих в уплотнительных узлах, удалось впервые предложить адекватные математические модели для определения характеристического параметра манжет и проргнозирова-ния сроков их службы.

На этой научной основе удалось также выполнить важные для практики исследования по созданию новой усовершенствованной конструкции резиноармированных манжет и применению метода их поверхностной модификации, что является определен-

ньм вкладом в решение проблемы повышения качества резиновых уплотнителей, Эти исследования, как ожидается, принесут промышленности существенный техноэкономический эффект,

Глава Литературный обзор

Рабочая эффективность уплотнителей характеризуется утечкой уплотняемой среды. Под долговечностью манжет понимается время устойчивой герметизации узла с их применением до превышения заданной величины утечек. На долговечность манжетных уплотнителей влияет около 30 параметров. Для столь многофакторной задачи необходимо было найти предпочтительно один комплексный параметр, учитывающий большинство из них. Таким параметром является радиальное усилие манжет Ш, для обеспечения герметичности системы давление в зоне контакта уплотнительного элемента с валом должно быть больше давления натекания рабочей среды. Давление уплотнительной среды должно уравновешиваться силами поверхностного натяжения жидкого смазывающего слоя между манжетой и валом, Уплотняемая среда является источником образования этого тонкого смазывающего слоя между манжетой и валом. Толщина пленки зависит от радиального усилия, вязкости уплотняемой среды, температуры, скорости скольжения, шероховатости поверхностей, Оптимальной толщиной смазывающей пленки считают такую, при которой образуется мениск с тыльной стороны уплотнения, Незначительное радиальное усилие обуславливает образование более толстой смазывающей пленки между манжетой и валом и появление утечек.

Таким образом, существует некоторое критическое радиальное усилие, ниже которого уплотнитель не выполняет своей основной функции - не обеспечивает герметизации.

Необходимость обеспечения определенного радиального

усилия выше "предела герметичности" является первым и основополагающим принципом проектирования манжетных уплотнителей валов, В обобщенном виде принципы проектирования обоснованы и сформулированы в работах В, С. Юровского о сотрудниками [2, 3].

- у -

1.1. Расчеты радиального усилия

Авторы большинства исследований резиновых манжет для валов объясняют трудности расчета радиального усилия следующими причинами Е4, с, 5!;

1. При контактировании манжеты с валом контактное давление по ширине контакта (в осевом направлении) распределяется по сложному закону. Как правило, удается приблизительно определить только среднее значение линейного контактного давления (иногда соответствующее экспериментально найденному максимальному значению).

2, Поскольку в любом уплотнительном узле имеет место некоторый статический эксцентриситет в зоне размещения герметизирующего устройства на валу и в корпусе, то контактное давление оказывается переменным по периметру вала, а также в каждой точке контакта.

Радиальное усилие по периметру герметизирующего элемента распределяется неравномерно по следующим причинам:

а) внутренний и наружный диаметры манжеты непостоянны;

б) при запрессовке в отверстие корпуса манжета принимает размер отверстия, а частичное выдавливание слоя резины, закрывающего арматуру, изменяет конфигурацию всего сечения манжеты;

в) неравномерное контактное давление на манжету оказывает браслетная пружина в месте расположения ее замка. Замок браслетной пружины увеличивает местное контактное давление на 20%;

г) неравномерное контактное давление может быть следствием неоднородности свойств резины и дефектов манжеты,

3, В процессе работы под влиянием температуры, развивающейся при трении, и внешних воздействий изменяются физико-механические свойства материала манжеты,

4, В процессе работы манжеты изменяется ширина зоны контакта манжеты с валом вследствие приработки и изнашивания поверхностей, а также перепада давления на манжете,

5, При значительном изнашивании первоначальный профиль манжеты искажается.

Все эти трудности, которые большинство авторов не смогло преодолеть, связаны с тем, что в их распоряжении не было средств определения радиального усилия в динамических условиях,

В связи с тем, что манжета является осесимметричным телом сложной формы, которая к тому же может изменяться в процессе работы, принято выбирать для расчета упрощенную модель манжеты в форме тела, ограниченного в сечении отрезками прямых линий. Существуют два направления моделирования манжеты. Первое направление, развитое в работе Г, Г, Давлетбаева [51, рассматривает элементарный участок манжеты, ограниченный бесконечно близкими осевыми сечениями как статически неопределимую балку о заделкой на одном конце и с подвижной опорой на другом, Принимают во внимание, что манжеты обычно изготавливают из высокоэластичного материала, и собственная жесткость конструкции мала, так что нагрузка через эластичный элемент передается на вал, Находят значения опорных реакций между манжетой и валом и полученные значения распрост-

раняют на весь периметр контактной зоны, то есть, по существу, рассматривают пластину с заделкой и опорой, нагруженную в "пролете" (плоское напряженное состояние).

На рис, 1.1 приведена геометрия манжеты.

Г, Г. Давлетбаев получил формулу для расчета составляющей контактного давления от давления уплотняемой среды:

8аА-созйа

где рж - давление герметизируемой среды; Др - перепад давления.

Если давление за манжетой равно атмосферному, то:

от геометрических размеров профиля манжеты,

Б, С. Цыбук с сотрудниками рассматривали Ей, 61 статическую составляющую контактного давления qCT, представляющую собой радиальное усилие Рст, приходящееся на единицу номинальной поверхности контакта Аа=2Лгва, которое может быть представлено в следующем виде:

чст=Чупр+Чпр+Чдавл5 (1*2)

где qynp3 Qnp» Одавл ~ составляющие контактного давления , обусловленные наличием предварительного натяга в манжеты на вал, воздействием пружины и давления среды, где упругая составляющая статического давления представляется в виде суммы:

(1,3)

где Qp - составляющая, возникающая от растяжения контактирующей с валом манжеты; qH3r - от изгиба профиля на величину радиального натяга

ЗДР1о

Чдавл=Уж+

(1.1)

Рис. 1.1. Геометрические характеристики модельного профиля манжеты

Можно принять во внимание растяжение не только контактирующей о валом части манжеты, но и связанного с ней конического участка профиля (!!ножкии) , Тогда;

Ч=чупр+ар+Чизг+др, к

Согласно работе В, Селла [4, с, 103:

I X

Чр=

} (

гвгма

ВЕк

3

и

Чизг="

(1,6)

гвгма

где Е - статический модуль упругости резины при растяжении. Согласно работе Г. А. Голубева [73: КЕВ10

др,к=Аг

ГвйУ

*1п

Гм

ГМ

Окончательно получим: ВЕ

У

<п (С,

чупр=Аа-

Р

к3

Ао=-

, гвгм где Р=па,

41

з

+

к1о

-А1:

С1,9)

(1Л0)

гва

Безразмерные коэффициенты А1 и А2 зависят только от геометрических характеристик профиля манжеты, Контактное давление Чупр возрастает с увеличением модуля Е, средней толщины профиля к, предварительного натяга В и уменьшается при возрастании радиуса вала гв, ширины зоны контакта а, высоты конической части 1 и параметра у, характеризующего коническую часть манжеты.

Согласно работе А, В, Важзмана С4, с, 103:

5

Чпр=-Аз, (1.11)

гБа

где Т - осевое усилие пружины при растяжении, соответствующем изменению радиуса кольца пружины ВПр при установке ее на манжету;

U

3 — +11 -1 12

Аз=-

1-1

г — +1

lo

где Аз - безразмерная константа, зависящая от места расположения пружины на манжете,

Контактное давление апр возрастает при увеличении нагрузки Т; последнее может быть достигнуто, например, за счет увеличения удлинения пружины ДЬ путем уменьшения начальной длины LH* При увеличении радиуса вала гв, ширины зоны контакта а и отношения I1/I2 давление qnp уменьшается, В результате получена формула для расчета цСт^ BE Т

Чст-Ag—+Аз-А4Рж (1Л2)

а гва

В работе Г, М, Бартенева о сотрудниками С?] предложена следующая формула для расчета радиального усилия Ррад:

Ррад=Рс+Рпр+Рд5 (1.13)

где Fc - "собственная" составляющая (создается на контакте за счет натяга манжеты на вал); ГПР - определяется усилием обжима кольцевой спиральной пружиной, передаваемым на вал через манжету; Рд - усилие, возникающее за счет давления уплотняемой среды,

Для определения Fc подразделяют уоовую часть манжеты на два элемента (рис, 1,2) - "кольцо" 1 и "ножку" 2, Поэтому Fc

рассматривается как составляющая радиального усилия от "кольца", имеющего посадочное растяжение, и Рн - от прижатия к валу части ножки, работающей на изгиб,

Гк-Кряг1,

(1 Д4)

5Е

равн

где р=-

£г

1+(г/Ю2

1-{г/й)2

где 5 - величина натяга манжеты на вал; Еравн - статический условно-равновесный модуль упругости резины; 1 - толщина кольца; ц, - коэффициент Пуассона для резины.

Усилие Рн было рассчитано авторами, которые представляли усовую часть манжеты как консоль переменного сечения (рис, 1,3), которая имеет соответственно участкам (высотой Ь.1 и На) два участка о моментами инерции 1± и 1й:

5

Рн= -

п

ь

з

1

3

ЗЕН ЗЕ

II ь

+ —а-1)+— 8611 ' 8012

(1 Л5)

где ¡3 - модуль сдвига резины,

Формула для расчета РПр была получена в работе С?], Манжета закреплена консольно (рис, 1.4), опирается на вал свободным концом и нагружена сосредоточенной силой РПр, В результате была получена формула:

£щз/

3

прг

и

3

311

£а

(1 Л6)

где Ц - осевое усилие растяжения пружины при заданной ее деформации (0=Р*/2%) Р* - радиальное усилие кольцевой спи-

А

4-

и

V

N

«г-

шг

к

\ \

\

Рис. 1.3. Схема для расчета усилия от изгиба "ножки"

V

Рис. 1.4. Схема для расчета усилия, передаваемого через манжету пружиной

Для расчета Рд в работе Эркенова А, Ч. о сотрудниками [8] была предложена следующая Формула:

Рд=-ттг1, (1.17)

Авторы вышенавванной работы опять же рассматривали манжету в виде плоского элемента.

Вышеприведенные формулы не дают точных значений, совпадающих с экспериментом, так как значения радиального усилия, полученные по ней, предлагается распространить на весь периметр манжеты, хотя на самом деле радиальное усилие распределяется по периметру контакта неравномерно. Радиальное усилие РуПр, возникающее при установке манжеты на вал о радиальным натягом В, переменно по окружности вала, если имеется статический эксцентриситет о3 - расстояние между осью вращения вала и осью внутреннего диаметра манжеты в собранном узле, В результате натяг (рис,1,5):

В3=0+б3*сз1п Ф (1,18)

Приближенно учесть это обстоятельство можно, подставив в формулу (1.7) значение натяга, определяемого выражением (1,18),

Вышеназванные работы рассматривают манжету в виде плоской модели и не учитывают динамического режима работы манжеты, в то время как манжета представляет собой объемное тело и работает в динамических условиях.

Второе направление заключается в моделировании манжеты осесимметричной оболочкой. Модель манжеты в виде короткой цилиндрической тонкостенной оболочки с заделкой с одной стороны и опорой - о другой для определения контактного давления от воздействия различных силовых факторов впервые проа-

Рис. 1.5. Изменение натяга при статическом эксцентриситете

*

нализирована в работе Г, А, Голубева [9].

В работе рассматривались, исходя из принципа независимости действия сил, три задачи об определении реакций опоры при нагружении оболочки: только внешним давлением рж (задача 1), 'только неизвестной силой, вызывающей радиальное перемещение края оболочки, равное натягу в (задача 2), и только сосредоточенной равномерно распределенной по окружности силой з "в пролете" оболочки ( задача 3). Схема оболочки представлена на рис, 1.6.

В работе были приняты следующие допущения:

1) давление равномерно распределено по окружности вала и ширине зоны контакта;

2) материал оболочки изотропный, однородный, подчиняющийся закону Гука;

3) гипотезы, характерные для теории ооеоимметричной деформации: гипотезы: неизменности нормали, об отсутствии взаг имного надавливания слоев оболочки; кроме того, считали, что перемещения точек оболочки малы по сравнению с ее толщиной,

В связи с отмеченными допущениями решение можно считать приближенным, пригодным для ориентировочной оценки,

В работе Голубева Г, А, С4, с, 22] были выведены формулы для расчета составляющих чет с использованием фундаментальных функций академика А, Н. Крылова У^(кох). Они представляют собой линейные комбинации тригонометрических и гиперболических функций,

ко - параметр, зависящий от размеров цилиндра:

/ щшщшш^

/

/

/

/■ /

/

£ 1 У

1 --———.......... —1 да— -^ -_>

а.

¿8

ЖВДЩЗШШ

,6а. Схема модели ободочки дли задачи 1

Рис. 1.66. Схема моДели оболочки для задачи 2

У

т

/1

3

/

/

/

г

. 1

/

р {Ч !

\

У

■Сг

£