Задача 2. Уплотнения

Уплотнение — это устройство, предназначенное для обеспечения гер­метичности. Любое уплотнение вклю­чает в себя герметизатор и уплотнительную поверхность. В зависимости от относительной скорости между герме­тизатором и уплотнительным элементом различают подвижные и неподвижные уплотнения.

Если между герметизатором и уплот­нительным элементом в процессе экс­плуатации возникают силы трения, то уплотнение называют контактным, в противном случае оно отно­сится к классу бесконтактных уплотнений. Важнейшими пока­зателями работоспособности уплотне­ний являются: степень герметичности, ресурс работы, коэффициент работо­способности. Износ — одна из основ­ных причин, в результате которой подвижные контактные уплотнения ут­рачивают свою работоспособность.

Основные проявления износа сво­дятся к ухудшению качества рабочих поверхностей уплотнений, изменению первоначальной формы герметизатора и усилия прижатия его к уплотняе­мой поверхности. Количественным по­казателем, характеризующим время, в течение которого уплотнение сохра­няет свою работоспособность, является ресурс.

Остановимся подробнее на торцовых и манжетных уплотнениях (МУ) ва­лов, которые получили наибольшее распространение в технике.

Для расчета ресурса по износу тор­цовых уплотнений может быть исполь­зована та же самая методика, что и для расчета осевых опор скольжения. При этом следует учесть, что осевое усилие в торцовом уплотнении может меняться в процессе изнашивания, это вносит некоторые особенности в упомянутый расчет.

Большое разнообразие конструктив­ных форм МУ, используемых материа­лов, условий и режимов эксплуатации породило многообразие методических подходов к расчету их ресурса.

Рассмотрим наиболее простую схему расчета, которая позволяет учесть эффект уменьшения контактного давле­ния в результате изменения линейных размеров сопрягаемых тел при износе.

Расчетная схема представляет собой цилиндрическое соединение с натягом. Контактные давления в сопряжении обусловлены лишь силами упругости. Для определенности считаем, что из­нашивается лишь герметизатор. Ско­рость изнашивания связана с контакт­ными давлениями степенной зависи­мостью вида I_t = K'q^m (m ³ 1), где К' и т — параметры закона изнаши­вания. В процессе эксплуатации ме­няется натяг между уплотнением и валом, что приводит к изменению кон­тактных давлений. Зависимость давле­ния от времени наработки t имеет вид

, при m ¹ 1

, при m = 1

 

где К' — коэффициент скорости изна­шивания, Па^m×с^-1×м;

k — коэффициент пропорциональности между упругими перемещниями сопряженных поверх­ностей и контактными давлениями, м×Па^-1;

q (0)— контактное давление при t = 0.

Если известно предельное давление q*, то ресурс уплотнения Т* опреде­ляется по формулам

, при m ¹ 1, (5.84)

, при m = 1, (5.85)

 

Для резиновых МУ, работающих при номинальных давлениях q₀, отве­чающих условию q₀ > 5×10^-2× Е, где Е — модуль упругости материала МУ, ко­эффициент К' может быть вычислен по следующей формуле:

, (5.85 а)

где f — коэффициент трения; s₀ — константа фрикционной уста­лости материала МУ, s₀» 22 МПа для каучуков; w — угловая скорость вращения вала, с^-1; m — параметр закона изнашива­ния материала уплотнения (см. табл. 5.6), его значения колеблются в пределах m = 3-6; r — номинальный радиус сопряжения МУ с валом, м.

Возможности манжетных уплотнений ограничиваются свойствами резины. Прежде всего, имеют значение ускоренное старение при высокой температуре и потеря эластичности при низкой, а также механическое стеклование при больших частотах вращения. Отсюда следуют требования к ограничению температуры нагрева кромки и ее тщательному анализу, ограничению радиального биения валов и высокому качеству их обработки. Необходимо также анализировать возможности потери герметичности при низкой температуре и большой частоте вращения.

Допустимый температурный диапазон работы манжеты зависит от типа резины.

Манжеты из резины 1-й группы по ГОСТ 8752-79 (например, 7-ИРП-1068-3с на основе бутадиен-нитрильного каучука СКН-26) применяют для герметизации масел при температуре от -45 до 120° С и линейной скорости ≤10 м/с.

Если в масле происходит повышенное набухание резины 1-й группы, применяют резину 2-й группы на основе бутадиен-нитрильного каучука СКН-40 при температуре от -30 до +120° С; время работы при температуре более 100 °С должно быть ограничено несколькими часами.

Резины 3-й группы на основе бутадиен-нитрильного каучука СКН-18 или комбинации СКН-18 и СКН-26 (например, 7-В-14-1) наиболее морозостойки.

Резины 4-й группы на основе фторкаучука СКФ-32 (ИРП-1314-1) стойки во многих синтетических жидкостях и предназначены для работы при температуре от -45 до +150° С и линейной скорости ≤20 м/с.

Резины 5-й группы на основе наиболее теплостойкого фторкаучука СКФ-26 (ИРП-1287, ИРП-1316) предназначены в основном для манжет, работающих в контакте с хлорированными углеводородами при температуре от -25 до +175 °С и линейной скорости ≤35 м/с.

Действие температур иллюстрируется рисунком 5.5, расположенным ниже.

 

 

Рис. 5.5. Влияние температуры на выбор материала уплотнения

 

Приведенный рисунок отображает предельные значения линейной скорости при вращении вала для различных материалов: NBR (бутадиен-нитрильный каучук) и FPM (фторкаучук). Среда уплотнения - двигательное масло SAE-20.

Давайте попытаемся определить тип материала для задней манжеты коленчатого вала автомобиля ВАЗ-2101.

Для этого нам необходимо узнать линейную скорость при вращении вала.

Сначала выберем максимальное число оборотов коленвала: для двигателей ВАЗ - 7000 оборотов в минуту (обороты указаны на рисунке вверху и справа). На горизонтальной оси (внизу) находим нужный нам внутренний диаметр вала: 70 мм.

Поднимаем вверх перпендикуляр из точки 70 до пересечения с линией, проведенной под углом из центра координат к точке 7000, проводим из точки пересечения проекцию на вертикальную ось. Находим значение линейной скорости: 26 м/с.

Точка пересечения проекций входит в рабочую зону фторкаучука (FPM), обозначенную темно-серым цветом, но уже не попадает в рабочую зону бутадиен-нитрильного каучука (NBR).

Кроме того, для найденного значения скорости в 26 м/с обязательным является применение фторкаучука СКФ-26 (5-я группа резин) с рабочей температурой +175 °С. Даже фторкаучук СКФ-32 (4-я группа резин) с рабочей температурой +150°С не выдержит таких условий эксплуатации!

Таблица 5.2

Группы м анжет по ГОСТ 8752-79

группа 1 – 7-ИРП-1068	от минус 45°С до плюс 100°С	Бутадиен-нитрильный каучук, стандартный материал
группа 2– 7-4004	от минус 30°С до плюс 100°С	Бутадиен-нитрильный каучук, улучш. теплостойкость
группа 3 – 7-В-14-1	от минус 60°С до плюс 100°С	Бутадиен-нитрильный каучук, улучш. морозостойкость
группа 4 – ИРП-1314	от минус 45°С до плюс 150°С	Фторкаучук, улучшенная химическая стойкость
группа 5 – ИРП-1287	от минус 25°С до плюс 175°С	Фторкаучук, высокие температуры
группа 6 – ИРП-1401	от минус 55°С до плюс 150°С	Силикон, маслостойкость материала ограничена

 

Пример 2. Подберем уплотнение для заданных условий и рассчитаем его ресурс. Диаметр вала d = 80 мм. Ширина и толщина участка контакта уплотнения с валом равна l = 3×10^-3 м, подпятника h = 3×10^-3 м. Примем максимальное количество оборотов равным 7000 мин-1. Сочетание контактирующих поверхностей: Сталь 20Х цементиро­ванная HRC 60—62 и Сталь 20Х (цементиро­ванная) HRC 60—64. Смазка – ЦИАТИМ. Предельное контактное давление q^* = 0,5 МПа.

Решение. По графику на рис. 5.5 определяем, что при заданных условиях необходимо использовать уплотнения из фторкаучука (FPM). Необходимые физико-механические свойства фторкаучука следующие: Е = 4×10⁶ Па, коэффициент трения f = 0,1, s₀ = 22 МПа, предельное давление q(0) = 50 МПа (для бутадиен-нитрильного каучука: Е = 3×10⁶ Па, коэффициент трения f = 0,3, s₀ = 22 МПа, предельное давление q^* = 30 МПа). Для заданного сочетания материалов по таблице 5.6 находим m ₁ = 1,96. По формуле (5.79 а) определим коэффициент податливости упругого слоя

м×Па^-1.

 

По формуле (5.85 а) определим коэффициент интенсивности изнашивания

Па^-1.

Определим по формуле (5.84) ресурс работы уплотнения так как m ¹ 1

с = 3,29 ч.

 

Варианты заданий к задаче №2 даны в таблице 5.3.