Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

RESEARCH PROJECT LIFE SEALING KNOTS

Antsupov V.P. 1 Antsupov A-r.V. 1 Antsupov A-y.V. 1 Rusanov V.A. 1 Gubin A.S. 1
1 Nosov Magnitogorsk State Technical University
A method of setting and an algorithm for solving boundary value problems of the theory of reliability germetiziating units on the criterion of wear resistance sealing elements. The basis of its construction put common methodological approach to forecasting the reliability of technical objects and thermodynamic-cal theory of strength of solids. In this paper, the boundary value problem in the form of a closed-system defined by the equation formulated for the circuit loading conditions and the uniqueness of the standard friction pairs, simulating the degradation of moving sealing knots. Using the resulting model theoretical research of durability of metal-polymer pairs tre-of «video – block» for the criteria wear shoes made of various materials and abradable seals in different conditions of friction. According to the results of computer experiment established a number of ways to improve the durability of the sealing device on the basis of a more wear-resistant polymer materials and single or dual anti-friction coatings in. The most effective methods have been pilot-tested and implemented in the industrial fief-operation.
sealing assembly
model failures
sealing elements
wear
polymeric materials
coatings
resource
1. Antsupov A.V., Antsupov A.V. (jr.), Antsupov V.P. Obespechenie nadezhnosti uzlov trenija mashin na stadii proektirovanija: monografija [Ensuring the reliability of friction units at the design stage], Magnitogorsk: Publishing centre of Nosov Magnitogorsk state technical university, 2013. 293 p.
2. Antsupov A.V., Antsupov A.V. (jr.), Antsupov V.P. Teorija i praktika obespechenija nadezhnosti detalej mashin po kriterijam kineticheskoj prochnosti i iznosostojkosti materialov [Theory and practice of ensuring the reliability of machine parts according to the criteria of kinetic strength and durability of materials], Magnitogorsk: Publishing centre of Nosov Magnitogorsk state technical university, 2015. 308 p.
3. Antsupov A.V. (jr.), Antsupov A.V., Antsupov V.P. Razvitie teorii prognozirovaniya nadezhnosti detaley mashin, Machine building: network electronic scientific journal, 2014, no. 2. pp. 26–32.
4. Antsupov V.P. Teorija i praktika plakirovanija izdelij gibkim instrumentom [Theory and practice of cladding products flexible tool], Magnitogorsk: Publishing centre of Nosov Magnitogorsk state technical university, 1999, 241 p.
5. Antsupov V.P., Antsupov A.V. (jr.), Antsupov A.V., Gubin A.S., Rusanov V.A. et.al. Vybor iznosostojkih materialov pri proektirovanii uzlov trenija (Selection of wear-resistant materials in the design of the friction units) Aktualnye problemy sovremennoy nauki, tekhniki i obrazovaniya: materialy 67-i nauchno-tekhnicheskoy konferentsii [Important issues of modern science, engineering and education: reports of the 67th scientific conference]. Magnitogorsk: Publishing centre of Nosov Magnitogorsk state technical university, 2009. Vol. 1. pp. 197–200.
6. Kragelskiy I.V., Dobychin M.N., Kombalov V.S. Osnovy raschetov na trenie i iznos [Fundamentals of friction and wear-out calculations]. M.: Machine building, 1977, 526 p.
7. Antsupov A.V. A.S. Gubin, V.A. Rusanov et.al. Metodika prognozirovaniya nadezhnosti plunzhernykh gidrotsilindrov po kriteriyu iznosostoikosti uplotneniy (Method of reliability prediction for plunger hydraulic cylinder using wear resistance of sealings) Aktualnye problemy sovremennoy nauki, tekhniki i obrazovaniya: materialy 69-i nauchno-tekhnicheskoy konferentsii [Important issues of modern science, engineering and education: reports of the 69th scientific conference]. Magnitogorsk: Publishing centre of Nosov Magnitogorsk state technical university, 2011. Vol.2. pp. 141–143.
8. Antsupov V.P., Dvornikov L.T., Gromakovskij D.G., Antsupov A.V. (ml), Antsupov A.V. Osnovy fizicheskoj teorii nadezhnosti detalej mashin po kriterijam kineticheskoj prochnosti materialov [Basic physical theory of reliability of machine parts according to the criteria of kinetic strength of materials] Herald Publishing centre of Nosov Magnitogorsk state technical university, 2014, no. 1, pp. 141–146.
9. Antsupov A.V., Rusanov V.A., Antsupov V.P. et.al. Otsenka dolgovechnosti i povyshenie sroka sluzhby zolotnikovykh raspredeliteley (Service life assessment and improvement of operating life of slide valves), Mekhanicheskoe oborudovanie metallurgicheskikh zavodov: mezhregion. sb. nauchn. tr. [Mechanical equipment of metallurgical enterprises: interregional collection of scientific articles] under the editorship of Korchunov A.G. Magnitogorsk: Publishing centre of Nosov Magnitogorsk state technical university, 2012, pp. 44–52.
10. Useful model patent 114890. Hydraulic cylinder of the unit for control of roller gap in a rolling stand / V.P. Antsupov, A.V. Antsupov, A.V. Antsupov (jr.) et.al. BIPM, 2012, no11, pр. 36.
11. Useful model patent 69593. Hydraulic distributor / V.P. Antsupov, A.V. Antsupov, A.V. Antsupov (jr.) et.al. BIPM, 2007, no36, pр. 1150.
12. Protasov B.V. Energeticheskie sootnosheniya v tribosopryazhenii i prognozirovanie ego dolgovechnosti [Energy relations in tribocoupling and prediction of its durability]. Saratov.: Saratov university, 1979. 152 p.
13. Antsupov A.V., Rusanov V.A., Antsupov V.P. et.al. Strukturno-jenergeticheskaja interpretacija vzaimosvjazi processov trenija i iznashivanija (Structural-energy interpretation of the relationship of friction and wear), Processy i oborudovanie metallurgicheskogo proizvodstva: mezhregion. sb. nauchn. tr. [Processes and equipment of metallurgical production: interregional collection of scientific articles] under the editorship of Platov S.I. Magnitogorsk: Publishing centre of Nosov Magnitogorsk state technical university, 2009, pp. 233–240.
14. Antsupov V.P., Antsupov A.V. (jr.), Antsupov A.V. et.al. Strukturno-jenergeticheskij podhod k ocenke frikcionnoj nadezhnosti materialov i de-talej mashin (Structural-energy approach to the assessment of the reliability of the friction material and de-hoist cars) Aktualnye problemy sovremennoy nauki, tekhniki i obrazovaniya: materialy 66-i nauchno-tekhnicheskoy konferentsii [Important issues of modern science, engineering and education: reports of the 66th scientific conference]. Magnitogorsk: Publishing centre of Nosov Magnitogorsk state technical university, 2008. Vol.1. pp. 258–262.
15. Trenie, iznos i smazka (tribologiya i tribotekhnika) [Friction, wear-out and lubrication (tribology and triboengineering)] A.V. Chichinadze, E.M. Berlinger, E.D. Brown et.al. under the editorship of A.V. Chichinadze. M.: Machine building, 2003. 576 p.

Практика эксплуатации многообразных гидравлических систем, обеспечивающих высокую скорость перемещения и точное позиционирование рабочих элементов различных машин и агрегатов, показывает, что их долговечность определяется уровнем работоспособности управляющих (исполнительных) гидроустройств. Согласно ГОСТ 17752-81 к ним относят гидроаппараты и гидродвигатели различных модификаций, длительность работы которых в первую очередь определяется износостойкостью уплотняющих элементов [7]. При этом момент их отказа четко не определен, оценивается ориентировочно из опыта работы или по моменту появления утечек рабочей жидкости из-за нарушения герметичности уплотнительного узла по причине возникновения абразивного износа. Кроме того, ресурс уплотнений крайне мал, в 8–10 раз меньше ресурса других изнашиваемых элементов гидроустройств. В то же время постоянно возрастающие требования к увеличению производительности предприятий, повышению качества продукции и снижению ремонтных и аварийных простоев вызывают необходимость существенного повышения долговечности уплотняющих узлов и в целом гидроустройств .

Поэтому уже на стадии проектно-конструкторской разработки гидравлических систем и компоновки механического агрегата актуальной становится проблема оптимального выбора конструкции подвижных герметизирующих узлов: анализа геометрических и микрогеометрических характеристик, износостойкости материалов уплотняющих элементов, условий трения на контакте и др. для обеспечения требуемого в техническом задании срока службы.

При решении этих задач на этапе конструирования изделий (особенно вновь разрабатываемых, не имеющих аналогов) обычно проводят длительные испытания лабораторных или натурных образцов, что существенно удорожает этапы создания машины. Для снижения временных, материальных и финансовых затрат на стадиях проектно-конструкторской разработки, на наш взгляд, эти задачи можно решать аналитически, без проведения модельных или натурных экспериментов, на основе математического моделирования процесса формирования отказов гидроустройств по критерию износостойкости герметизирующих элементов. Поэтому уже на стадии разработки актуальной становится научная проблема создания адекватных математических моделей износовых отказов подвижных герметизирующих узлов для проведения аналитических исследований их ресурса с целью обеспечения требуемого уровня долговечности проектируемого гидропривода.

Цель исследований:

– разработка физико-математической модели износовых отказов стандартных металл-полимерных пар трения, которая адекватно описывает процесс повреждаемости материалов уплотнений гидроустройств в процессе будущей эксплуатации;

– проведение теоретических исследований на модели износостойкости современных материалов уплотняющих элементов и условий трения для проектирования более долговечных конструкций герметизирующих узлов промышленных гидроприводов.

Разработка модели отказов стандартных пар трения

На основе общего методологического подхода к прогнозированию надежности технических объектов [2] ниже сформулирована однопараметрическая краевая задача теории надежности стационарных трибосопряжений «ролик 1 – колодка 2» для представленной на рисунке расчетной схемы их фрикционного взаимодействия.

В модели ролик предполагается изготовленным из стали 40Х, колодки – из различных материалов уплотняющих элементов. Условия их фрикционного взаимодействия (исходные данные в задаче см. ниже) назначали соответствующими условиям трения в герметизирующих узлах промышленных гидроприводов.

Система уравнений краевой задачи формируется в соответствии с принципами общей теории прогнозирования надежности объектов [3, 8]. В качестве параметра состояния исследуемых сопряжений принято текущее значение толщины истираемой колодки xt (рисунок). В процессе изнашивания колодки со скоростью antsupov01.wmf ее толщина уменьшается от начальной величины xt = x0 до предельного значения xt = xпр, назначенного из практических соображений. Износом стального ролика, как показывает практика, можно пренебречь. Для выбранного параметра xt система определяющих уравнений для оценки износостойкости колодок и долговечности исследуемых пар трения принимает вид:

– уравнение эволюции пары трения

antsupov02.wmf (1)

– уравнение ее перехода в предельное состояние

antsupov03.wmf (2)

– зависимость для оценки износостойкости колодки

antsupov04.wmf (3)

– уравнение для оценки ресурса пары трения

antsupov05.wmf (4)

pic_1.tif

Расчетная схема нагружения элементов пары трения

 

Для расчета величины antsupov06.wmf, входящей во все уравнения краевой задачи (1)–(4), можно использовать базовую зависимость энерго-механической теории изнашивания стационарных трибосопряжений [1, 3], которая выведена на основе совместного решения основополагающих уравнений молекулярно-механической [6] и структурно-энергетической [13, 14] теорий трения:

antsupov07.wmf (5)

где α* – коэффициент перекрытия для колодки; ν – коэффициент преобразования внешней энергии в материале ее поверхностного слоя; antsupov08.wmf – механическая составляющая коэффициента трения в стационарном режиме; pa – номинальное давление на контакте; Vск – скорость скольжения на контакте; antsupov09.wmf – критическая энергоемкость материала колодки.

Алгоритм решения поставленной задачи для начальных и граничных условий, характеризующих исходное состояние герметизирующего узла в начальный момент времени t = 0 и взаимодействие элементов сопряжения на границах с окружающей средой, состоит из следующих основных блоков.

Блок 1. Исходные данные (рисунок).

1 группа. Параметры внешнего нагружения (трения): Fn, Vск – нормальная сила и скорость скольжения на контакте.

2 группа. Геометрические характеристики элементов: R1, B, φ – радиус ролика (радиус контакта), его ширина и угол охвата ролика колодкой; x0 – толщина колодки в исходном состоянии; xпр – предельное значение параметра xt (толщины колодки).

3 группа. Микрогеометрические характеристики трущихся поверхностей: Ra1 и Ra2, Δ1 – среднеарифметическое отклонение профиля ролика и колодки, комплексный параметр шероховатости поверхности ролика.

4 группа. Физико-механические характеристики материалов ролика и колодки в исходном состоянии: μ1,2; E1,2; σпц1,2; σT1,2; σB1,2; HB1,2; HV1,2; αэф1,2, ρ1,2 – коэффициент Пуассона, модуль упругости, предел пропорциональности, текучести и прочности, твердость по Бринеллю и Виккерсу, коэффициент гистерезисных потерь и плотность материалов.

5 группа. Теплофизические характеристики материалов ролика и колодки: ΔHS1,2; λ1,2; α1,2 – энтальпия плавления, коэффициенты теплопроводности и теплоотдачи соответственно.

6 группа. Фрикционные характеристики сопряжения: τ0, β – удельная сдвиговая прочность поверхностей и коэффициент упрочнения молекулярной связи.

Блок 2. Параметры контакта и свойства материалов [15].

2.1. Площади контакта, трения и коэффициент перекрытия (рисунок):

antsupov10.wmf antsupov11.wmf

antsupov12.wmf antsupov13.wmf

2.2. Периметры площадей трения:

antsupov14.wmf

antsupov15.wmf

2.3. Номинальное давление на контакте:

antsupov16.wmf

2.4. Предел пропорциональности и модуль сдвига материалов:

antsupov17.wmf

antsupov18.wmf

2.5. Упругие постоянные материала ролика и колодки:

antsupov19.wmf antsupov20.wmf

Блок 3. Распределение внешней энергии [12].

3.1. Коэффициент поглощения внешней энергии материалом ролика:

antsupov21.wmf

antsupov22.wmf

3.2. Коэффициент поглощения внешней энергии материалом колодки:

ν2 = 1 – ν1.

Блок 4. Коэффициент трения [6].

4.1. Внутреннее напряжение (контурное давление) в поверхностном слое колодки:

antsupov23.wmf

4.2. Вид напряженного состояния поверхностного слоя колодки:

antsupov24.wmf

Коэффициент трения при установленном виде напряженного состояния:

– при упругом напряженном состоянии

antsupov25.wmf

– при упруго-пластическом напряженном состоянии

antsupov26.wmf

– при пластическом напряженном состоянии

antsupov27.wmf

Блок 5. Температура [15].

5.1. Параметры ролика и колодки:

antsupov28.wmf

antsupov29.wmf

5.2. Температура поверхностных слоев ролика и колодки:

antsupov30.wmf

Блок 6. Упругие постоянные материалов ролика и колодки:

antsupov31.wmf

Блок 7. Коэффициент трения в стационарном режиме [6].

7.1. Полный коэффициент трения:

antsupov32.wmf

7.2. Механическая составляющая:

antsupov33.wmf

Блок 8. Критическая энергоемкость [1, 3].

8.1. Плотность потенциальной составляющей внутренней энергии материала колодки в исходном состоянии – для эластомеров ue02 = 0.

8.2. Изменение плотности тепловой составляющей внутренней энергии материала колодки при температуре T2 установившегося режима:

antsupov34.wmf

8.3. Критическая плотность скрытой энергии материала поверхностного слоя колодки (критическая энергоемкость материала):

antsupov35.wmf

Блок 9. Повреждаемость [3, 8].

Скорость линейного изнашивания колодки (5):

antsupov36.wmf

Износостойкость материала колодок (3):

antsupov37.wmf

Блок 10. Долговечность [3].

10.1. Ожидаемый ресурс пары трения (4):

antsupov38.wmf

10.2. Коэффициент повышения долговечности i-й пары трения:

antsupov39.wmf

где tпр1 – ресурс пары № 1, в которой материалом колодки является широко применяемый в настоящее время эластомер СКН 26; i – номер опыта в компьютерном эксперименте.

Совокупность уравнений (1)–(5) и зависимостей, перечисленных в начальных и граничных условиях изложенного алгоритма, представляет модель износовых отказов стандартных пар трения по критерию износостойкости колодок, с помощью которой возможно решать упомянутые выше проектные задачи по повышению износостойкости материалов уплотнений и обеспечению долговечности герметизирующих узлов.

Описание компьютерного эксперимента и результаты теоретических исследований

Целью компьютерного эксперимента, план которого отражает таблица, являлось исследование проектного ресурса сопряжений при изменении материалов колодок и условий трения на контакте. Для этого колодки проектировались из различных материалов уплотнений, рекомендуемых для использования в промышленных гидросистемах современными отечественными и зарубежными фирмами «Simrit», «Economos» и научно-технической литературой [6, 15].

План и результаты компьютерного эксперимента

Вид полимера

Номер опыта

Материал ролика – Сталь 40Х

Износостойкость Иi∙106

Класс и разряд износостойкости (КИ/р)i

Ресурс, tпрi, c

Коэффициент повышения долговечности Kti

Материал уплотнения

1 серия – без покрытия ролика

Эластомеры на основе резины

1

СКН 26

2,04

6/2

2038

1,00

2

Резина 3826

2,45

6/2

2447

1,20

3

65NBR B210

2,24

6/2

2242

1,10

4

80 NBR B246

2,50

6/2

2500

1,23

5

Ecoruber–H

3,07

6/3

3074

1,51

6

Ecoruber 2

4,55

6/4

4545

2,23

Термопласты

7

Ф4

2,85

6/3

2852

1,40

8

Ecoflon 1

2,85

6/3

2852

1,40

9

Ecoflon 2

2,94

6/3

2935

1,44

10

Ecoflon 3

3,04

6/3

3036

1,49

11

PTFE GM201

3,05

6/3

3055

1,50

Полиуретаны

12

94 AU V149

3,69

6/3

3686

1,81

13

95 AU V149

4,08

6/4

4076

2,00

14

Н-Ecoрur

3,62

6/3

3623

1,78

15

Ecopur

4,73

6/4

4732

2,32

2 серия – покрытие на ролике из Ф4

Эластомеры на основе резины

16

СКН 26

3,83

6/3

3667

1,80

17

Резина 3826

3,81

6/3

3827

1,88

18

65NBR B210

3,88

6/3

3807

1,87

19

80 NBR B246

5,30

6/3

3876

1,90

20

Ecoruber–H

7,94

6/5

5300

2,60

21

Ecoruber 2

4,89

6/4

7937

3,89

Термопласты

22

Ф4

5,19

6/4

4886

2,40

23

Ecoflon 1

5,21

6/4

5190

2,55

24

Ecoflon 2

5,26

6/4

5208

2,56

25

Ecoflon 3

5,28

6/4

5263

2,58

26

PTFE GM201

5,32

6/4

5282

2,59

Полиуретаны

27

94 AU V149

6,47

6/5

5319

2,61

28

95 AU V149

5,30

6/4

6466

3,17

29

Н-Ecoрur

8,33

6/5

5300

2,60

30

Ecopur

3,83

6/3

8333

4,09

3 серия – покрытие на ролике из Л63 + Ф4

Эластомеры на основе резины

31

СКН 26

5,30

6/4

5300

2,60

32

Резина 3826

5,91

6/4

5906

2,90

33

65NBR B210

5,84

6/4

5837

2,86

34

80 NBR B246

6,12

6/4

6122

3,00

35

Ecoruber–H

7,85

6/5

7853

3,85

36

Ecoruber 2

11,81

7/1

11811

5,80

Термопласты

37

Ф4

7,32

6/5

7317

3,59

38

Ecoflon 1

7,65

6/5

7653

3,76

39

Ecoflon 2

7,69

6/5

7692

3,77

40

Ecoflon 3

7,77

6/5

7772

3,81

41

PTFE GM201

7,77

6/5

7772

3,81

Полиуретаны

42

94 AU V149

8,33

6/5

8333

4,09

43

95 AU V149

10,14

7/1

10135

4,97

44

Н-Ecoрur

7,89

6/5

7895

3,87

45

Ecopur

12,40

7/1

12397

6,08

Исследованы пятнадцать видов полимеров, объединенных в три группы: эластомеры на основе резины; термические полимеры (термопласты); термические эластомеры (полиуретаны) (таблица). Кроме того, в эксперименте исследованы различные условия трения между роликом и колодкой в трех сериях опытов. В первой серии опытов i = 1...15 – ролик предполагали без покрытия; во второй серии i = 16...30 – ролик с однослойным покрытием из фторопласта Ф4; в третьей серии i = 31...45 – ролик с двухслойным латунь-полимерным покрытием из Л63 + Ф4. Предполагалось также, что покрытия получены методом плакирования гибким инструментом [4], а изменение механических и микрогеометрических характеристик поверхностного слоя материала ролика и коэффициента трения после плакирующей обработки оценивали по изложенной в той же работе методике.

По разработанному алгоритму для постоянных условий внешнего нагружения (Fn = 200 Н и Vск = 1,5 м/с) в трех сериях опытов рассчитаны показатели износостойкости Иi колодок, их класс и разряд (КИ/р)i, ресурс tпрi каждой пары трения и коэффициент повышения долговечности Kti по сравнению с парой № 1 (таблица). Здесь i = 1...45 – номер опыта.

Анализ полученных результатов позволяет выделить три наиболее эффективных способа повышения долговечности металл-полимерных узлов трения:

– применение более износостойких, чем резина СКН-26, полимеров: эластомера Ecoruber 2 и полиуретанов 95 AU V149 и Ecopur с показателями износостойкости И > 4, КИ/р = 6/4 и коэффициентом повышения долговечности Kti > 2 (см. выделенные темным фоном строки № 6, 13, 15 в первой серии опытов (таблица));

– использование более износостойких полимеров с одновременным плакированием поверхности контртела фторопластом Ф4 (см. выделенные темным фоном опыты № 20–30). Очевидно, что наличие фторопластового покрытия значительно повышает показатели износостойкости полимерных материалов (И ≈ 4...8, КИ/р = 6/4 – 6/5) и увеличивает ресурс сопряжений (Kti ≈ 2...4) за счет уменьшения коэффициента трения на контакте [4];

– использование более износостойких полимеров с одновременным плакированием поверхности контртела двухслойным латунь-фторопластовым покрытием (см. выделенные темным фоном опыты № 31–45 в таблице). Покрытие из Л63 + Ф4 более существенно, чем покрытие из Ф4, увеличивает как показатели износостойкости (И ≈ 5...12, КИ/р = 6/5 – 7/1), так и коэффициент повышения ресурса пар трения (Kti ≈ 2,5...6) за счет не только снижения коэффициента трения, но и улучшения физико-механических характеристик латунного поверхностного слоя [4].

Практическая реализация полученных результатов

Выявленные в компьютерном эксперименте наиболее эффективные способы повышения ресурса металл-полимерных пар трения предложены для изготовления герметизирующих узлов плунжерных гидродвигателей систем уравновешивания прокатных валков [7] и золотниковых распределителей гидроочистки полос от окалины [9] станов горячей листовой прокатки с одновременным плакированием поверхностей плунжеров и золотников. Они прошли производственные испытания и внедрены в промышленную эксплуатацию. Ряд новых конструкций гидроустройств защищен патентами на полезную модель, например [10, 11].

Заключение

Таким образом, для снижения временных, материальных и финансовых затрат на этапах проектно-конструкторской разработки гидравлических систем можно прогнозировать долговечность подвижных герметизирующих узлов и анализировать возможные способы повышения их ожидаемого ресурса аналитически, без проведения экспериментов.

Рецензенты:

Кутлубаев И.М., д.т.н., профессор, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, г. Магнитогорск;

Точилкин В.В., д.т.н., профессор, Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, г. Магнитогорск.