Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ структуры и свойств полимерных композиционных материалов, конструкций и условий эксплуатации поддерживающих катков МГМ 11
1.1 Структура и свойства ПТФЭ как полимерной основы композизионных материалов (КМ) триботехнического назначения 11
1.2 Анализ конструкции, условий эксплуатации надежности поддерживающих катков МГМ13
1.3 Влияние наполнителей–модификаторов на структуру и свойства ПТФЭ 19
1.4 Влияние способа изготовления и режимов технологического процесса на структуру и свойства ПКМ на основе ПТФЭ . 25
1.5 Обоснование состава наполнителей–модификаторов и способа изготовления ПКМ на основе ПТФЭ . 29
1.6 Выводы, цель и задачи исследования 32
2 Методы и средства экспериментальных исследований 35
2.1 Методы исследования фазового состава и структуры композиционных материалов 36
2.2 Методы и средства исследования механических и триботехнических свойств 39
2.3 Методика разработки и оптимизации нового полимерного композиционного материала (ПКМ)45
3 Разработка и исследование ПКМ48
3.1 Исследование механических и триботехнических свойств разрабатываемого ПКМ 48
3.2 Оптимизация состава ПКМ по критериям качества 52
3.3 Разработка технологии изготовления образцов ПКМ 54
3.4 Исследование фазового состава и надмолекулярной структуры полимерных нанокомпозитов. 58
3.5 Выводы 68
4Разработка герметизирующего устройства (ГУ) поддерживающих катков (МГМ) 69
4.1 Анализ материалов герметизирующих устройств поддерживающих катков 69
4.2 Механизмы герметизации и трения 73
4.3 Разработка конструкции герметизирующего устройства поддерживающего катка 75
4.4 Лабораторное испытание герметизирующего устройства 86
4.5 Выводы . 90
Общие выводы и результаты . 91
Список использованной литературы . 93
Приложения 102
- Анализ конструкции, условий эксплуатации надежности поддерживающих катков МГМ
- Методика разработки и оптимизации нового полимерного композиционного материала (ПКМ)
- Исследование фазового состава и надмолекулярной структуры полимерных нанокомпозитов
- Разработка конструкции герметизирующего устройства поддерживающего катка
Введение к работе
Актуальность темы. Антифрикционные полимерные композиционные материалы широко применяются для изготовления уплотнительных элементов в различных видах современной техники и во многом определяют ее надежность и долговечность.
Задача повышения надежности и долговечности машин соответствует приоритетным направлениям развития науки, техники и технологии РФ «Индустрия наносистем» и «Перспективные виды вооружения, военной и специальной техники» и особенно актуальна для наземного транспорта и в частности для многоцелевых гусеничных машин (МГМ). Это объясняется тем, что ходовая часть этих машин, работающих в условиях бездорожья, пересеченной местности и водных преград, испытывает высокие динамические нагрузки, при этом подшипниковые узлы нуждаются в надежной защите от внешних загрязнений с абразивными частицами.
Анализ конструкций, условий эксплуатации и физических причин потери работоспособности герметизирующих устройств (ГУ) поддерживающих катков показал, что для устранения выявленных недостатков и повышения надежности ходовой части МГМ необходимо разработать и применить новый более износостойкий антифрикционный материал для уплотнительных элементов и усовершенствовать конструкцию герметизирующих устройств. Новый композиционный материал должен иметь более высокие по сравнению с эластомерными композитами триботехнические свойства и длительно сохранять их в заданных условиях эксплуатации.
Диссертационная работа выполнялась в рамках госбюджетных НИР: Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (2012-2013 годы), Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (2009-2013 годы) и гранта РФФИ (2012-2013годы).
Цель работы - повышение износостойкости полимерного антифрикционного композиционного материала в условиях эксплуатации при неудовлетворительной смазке в широком интервале температур, например, в качестве уплотняющих элементов металлополимерных герметизирующих устройств многоцелевых гусеничных машин (МГМ), обеспечивающее повышение работоспособности и долговечности герметизирующих устройств.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1. На основе анализа известных материалов металлополимерных узлов трения и трибосистем разработать новый ПКМ на основе ПТФЭ, обладающий высокой износостойкостью и антифрикционностью в условиях эксплуатации при неудовлетворительной смазке в широком интервале температур.
2. Исследовать особенности процессов структурной модификации ПТФЭ введением наполнителей различного вида, в том числе комплексных с наноразмерными компонентами и их влияния на параметры надмолекулярной структуры полимерной матрицы ПКМ.
3. Исследовать закономерности влияния параметров надмолекулярной структуры ПТФЭ, наполняемого углеродными модификаторами на механические и триботехнические свойства ПКМ.
4. Исследовать влияние ограничения объемного теплового расширения заготовок ПКМ при их термообработке на структуру и свойства ПКМ.
5. Разработать конструкцию комбинированного герметизирующего устройства оси поддерживающего катка ходовой части МГМ с учетом физико-механических свойств материалов силового и уплотняющего элементов и условий эксплуатации ГУ.
6. Разработать установку и методику для исследования износостойкости уплотняющих элементов ГУ из нового ПКМ, оценить работоспособность и долговечность разработанного герметизирующего устройства.
Научная новизна:
1. Установлены закономерности процессов структурной модификации наполненного ПТФЭ, отражающие взаимосвязь вида и концентрации полидисперсных модификаторов, включая наноразмерные, на морфологию, степень кристалличности и размеры кристаллических образований.
2. Получены зависимости механических и триботехнических свойств полимерных нанокомпозитов на основе ПТФЭ от концентрации углеродных нанотрубок (УНТ) в составе комплексного наполнителя модификатора и ограничения объемного теплового расширения при термообработке ПКМ.
3. Разработан новый полимерный антифрикционный композиционный материал на основе ПТФЭ, износостойкость которого в условиях сухого трения в 1,9 раза превосходит износостойкость известных ПКМ (А.С. №1812190 МПК, патент РФ №2307130 С1).
Практическая значимость:
1. Разработано устройство для термообработки (спекания) заготовок полимерных композиционных материалов, обеспечивающее ограничение объемного теплового расширения в процессе термической обработки заготовок ПКМ и регулировку давления сжатия заготовок перед спеканием.
2. Разработана конструкция комбинированного герметизирующего устройства поддерживающих катков МГМ, с уплотняющими элементами из разработанного ПКМ, обеспечивающая значительное повышение работоспособности и долговечности ГУ по сравнению с серийными ГУ с резиновыми уплотнительными манжетами.
3. Разработаны методика и установка для проведения стендовых испытаний разработанных ГУ поддерживающих катков МГМ, обеспечивающие получения надежных оценок работоспособности и долговечности ГУ.
Личный вклад автора
Автор участвовал в обсуждении и постановке задач, решаемых в диссертационной работе, провел анализ известных методов повышения износостойкости и долговечности полимерных композиционных материалов, надежности и ресурса герметизирующих устройств. Автор диссертации принимал непосредственное участие в выборе наиболее эффективных структурно-активных модификаторов, в изготовлении образцов ПКМ и исследовании их структуры и физико-механических свойств, самостоятельно проводил расчет разрабатываемой конструкции герметизирующего устройства, разработал методику и участвовал в испытании герметизирующего устройства.
Автор выполнил анализ и обобщение результатов экспериментальных исследований, участвовал в обсуждении и формулировке положений, выносимых на защиту.
Защищаемые положения и результаты:
1. Закономерности структурной модификации наполненного ПТФЭ, отражающие взаимосвязь вида и концентрации структурно-активных полидисперсных модификаторов и условий термообработки композиции с фазовым составом, морфологией и параметрами надмолекулярной структуры ПКМ.
2. Концентрационные зависимости триботехнических свойств разработанного полимерного нанокомпозита от концентрации углеродных нанотрубок в составе комплексного модификатора.
3. Новый полимерный антифрикционный композиционный материал с комплексным микро-наномодификатором, отличающийся более высокой в 1,9 раза износостойкостью по сравнению с прототипом.
Апробация работы
Основные результаты исследований и разработки докладывались и обсуждались на: международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» (Брянск, 2011); VIII Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 2012); научно-практической конференции «Броня-2012» (Омск, 2012); научно-практической конференции «Броня-2013» (Омск, 2013); V Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Россия молодая: передовые технологии – в промышленность» (Омск, 2013), III Региональной научно-практической конференции «Актуальные проблемы современной науки» (Омск, 2014).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования материалов диссертаций.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа содержит 107 страниц текста, включая 34 рисунок, 5 таблиц и 4 приложения с результатами экспериментальных исследований характеристик механических и триботехнических свойств разработанного ПКМ и актами об использовании материалов диссертации.
Анализ конструкции, условий эксплуатации надежности поддерживающих катков МГМ
Гусеничный движитель МГМ – это совокупность элементов ходовой части, создающих силу тяги. Он включает следующие элементы: направляющие колеса с механизмами натяжения; поддерживающие катки; гусеницы; ведущие колеса; опорные катки (рис.1.1).
Поддерживающие катки размещены вдоль бортов гусеничной машины и предназначены для придания необходимой формы верхней ветви гусеницы с целью сокращения потерь мощности и уменьшения динамических нагрузок при движении машины. На машине установлено шесть поддерживающих катков: по три на каждом борту.
Поддерживающие катки устанавливаются на двух роликовых и одном шариковом подшипниках на кронштейнах, которые крепятся к борту машины болтами. Смазка подшипников осуществляется жидкой смазкой. Для предотвращения ее вытекания, а также исключения попадания воды и грязи предусмотрены лабиринтные уплотнения.
Поддерживающий каток состоит из ступицы 1 (рис. 1.2) с напрессованной резиновой шиной 2 и стальным ободом 12, кронштейна 6 и уплотнительной крышки 4. Ступица установлена на кронштейне на трех подшипниках: двухроликовых 16 и одном шариковом 3. Подшипники крепятся гайкой 13, которая удерживается от отвертывания стопорным болтом 15.
В кронштейне 6 выполнено радиальное сверление а, предназначенное для подачи смазки к рабочим кромкам манжет. Радиальный канал имеет верхнее расположение, через него осуществляется смазка манжеты, которая частично попадает в подшипники.
Уплотнительная крышка 4 крепится к ступице болтами 10. В крышку запрессованы три манжеты 5, кромки которых прижимаются к поверхности кронштейнов пружинными кольцами. В выточку крышки установлено уплотнительное резиновое кольцо 11. Крышка 4 и лабиринтное кольцо 9 образуют лабиринтное уплотнение. Кольцо 9 напрессовано на ось кронштейна и приварено. В поддерживающий каток заправляется масло ТСЗп-8 до уровня нижней кромки заправочного отверстия в ступице. Отверстие закрывается пробкой 14 с уплотнительным конусом. 16
Смазка работоспособна в интервале температур от – 40 до + 130 оС, водостойка, то есть не растворяется в воде, не смывается и не поглощает влагу из окружающей среды. Наблюдение за изменением качества смазки при длительном ее хранении в различных климатических зонах показало, что она может храниться более 5 лет без существенных изменений ее свойств. При эксплуатации в соответствии с требованиями ГОСТ 6473-73 наличие механических примесей в смазке, не растворимых в соляной кислоте, не допускается.
Причиной отказа серийных герметизирующих устройств является преждевременное старение, износ и повреждение уплотнительных резиновых манжет, поскольку резина подвержена ускоренному старению при динамическом нагружении и изменении температуры окружающей среды, приобретая остаточную деформацию и утрачивая свойство упругой эластичности. Кроме того резина имеет плохие триботехнические свойства и зачастую разрушается при запуске машины после длительного хранения.
Поддерживающие катки работают в условиях интенсивного внешнего загрязнения, частота вращения которых достигает 3450 об/мин. При таких условиях резиновые уплотнения не обеспечивают требуемой герметичности, смазка вытекает и подшипники выходят из строя.
В этой связи, исследование надежности герметизирующих устройств подшипниковых узлов опорных и поддерживающих катков ходовой части МГМ имеет важное и актуальное значение. Кроме того, работоспособность этих элементов наряду с другими сборочными единицами и деталями ходовой части определяют важнейшее свойство машины – подвижность.
Статистический материал должен, во-первых, объективно отражать фактическую надежность герметизирующих устройств поддерживающих катков в течение заданного ресурса до выхода машины в капитальный ремонт, т.е. до 14000 км пробега. Во-вторых, статистический материал должен отражать работоспособность герметизирующих устройств в пределах заданного ресурса в зависимости от сроков эксплуатации и хранения.
Проведенные ранее исследования надежности функционирования подшипниковых узлов ступиц поддерживающих катков показали, что основной причиной выхода их из строя является попадание абразива в закрытую полость ступицы катка.
При этом отказ герметизирующих устройств может быть обусловлен многими причинами. К основным из них можно отнести следующие:
- условия эксплуатации;
- несовершенство конструкции ГУ;
- недостаточный уровень механических и триботехнических свойств материалов ГУ.
С целью анализа статистического материала об отказах МГМ в работе [39] анализировались данные об отказах МГМ с различными сроками эксплуатации от 5 до 15 лет. Оценка работоспособности герметизирующих устройств опорных катков осуществлялась для каждой группы в диапазоне от 0 до 14000 км пробега с периодичностью в 1000 км. Контролю подвергалось 100% поддерживающих катков, и общее число подконтрольных объектов для каждой группы составляло 60 единиц.
Методика разработки и оптимизации нового полимерного композиционного материала (ПКМ)
Актуальность исследований по созданию новых антифрикционных полимерных композиционных материалов обусловлена разнообразными условиями эксплуатации материалов в узлах современных машин и невозможностью создания ПКМ с механическими и триботехническими свойствами, удовлетворяющими разнообразным эксплуатационным требованиям. Кроме того, отсутствует единая теория синтеза ПКМ, позволяющая прогнозировать их свойства при использовании новых наполнителей различной природы и размерности полидисперсных частиц.
Для изготовления использовали известную технологию холодного прессования ПКМ и свободного спекания. С целью повышения эффективности структурной модификации ПТФЭ, как показано выше, применяли метод ограничения объемного теплового расширения, который будет рассмотрен в главе 3.
Методика разработки и оптимизации нового полимерного композиционного материала на основе ПТФЭ, предусматривает исследование пространства параметров, для которого набор пробных точек формируется с применением ЛП-последовательностей, применяемый при решении многокритериальных задач [72]. Метод включает следующие общие этапы.
1. Определение критериев качества, параметров и параметрических ограничений. В данной работе под критериями качества понимаем характеристики механических и триботехнических свойств ПКМ, которые связаны с его качеством и по значениям которых осуществляется оптимизация.
2. Выбор пробных точек в исследуемом N-мерном пространстве параметров (N - количество параметров). В качестве таких точек в данном методе оптимизации используются точки ЛПт-последовательностей. Эти последовательности являются равномерными в N-мерном параллелепипеде пространства параметров.
3. Составление таблиц испытаний, содержащих значения критериев качества для каждой пробной точки, отражающих концентрацию компонентов ПКМ.
4. Выбор критериальных ограничений, т.е. худших значений критериев, которые могут считаться приемлемыми.
Для определения оптимальной концентрации компонентов комплексного наполнителя для разрабатываемого нанокомпозита был сформирован набор из 8 композиций, т.е. пробных точек в соответствии с ЛПт-последовательностями. Значения параметров и результаты испытаний в виде критериев качества приведены в таблице 1.
В качестве независимых параметров приняты массовые концентрации компонентов: скрытокристаллический графит (СКГ) - КСКГ, углеродные нанотрубки (УНТ) - КУНТ, дисульфид молибдена (ДМ) - КMoS2. Для каждого компонента определены параметрические ограничения: 0 КСКГ 12 %, 0 КУНТ 5 %, 0 КДМ 3 %. Выбраны критерии качества ПКМ: скорость изнашивания (J) и коэффициент трения (f), а также определены критериальные ограничения: Jкр=18,510-4г/ч, fкр=0,11, исходя из характеристик известных ПКМ на основе ПТФЭ.
5. Изготовление восьми комплектов образцов для испытания на трение и износ и на растяжение. По результатам испытаний оценивается качество полученных ПКМ и принимается решение о продолжении или прекращении оптимизационного исследования. Глава 3 Разработка и исследование ПКМ
Исследование механических и триботехнических свойств разрабатываемого ПКМ
В зависимости от условий эксплуатации изменяются требования к свойствам композиционного материала, которыми можно управлять путем изменения состава и концентрации наполнителей. Материал уплотнительных элементов герметизирующих устройств должен обладать высокой прочностью износостойкостью и достаточной пластичностью, чтобы обеспечивать герметичность внутренней полости ступиц при достаточно высоких скоростях скольжения по уплотняемой поверхности оси (от 1,0 до 2,5 м/с) при плохой смазке в широком интервале температур. Кроме того, для обеспечения герметичности уплотнения реальной шероховатой поверхности оси поддерживающего катка, материал уплотнительного элемента должен при небольшом уровне контактного давления легко деформироваться на микровыступах и быстро заполнять все микровпадины, т.е. он должен иметь относительно не высокий модуль упругости. Наконец, композиционный материал в течение длительного периода времени хранения и эксплуатации (не менее 10 лет) при изменении температуры окружающей среды должен сохранять свои вязкоупругие и триботехнические свойства.
Названный комплекс физико-механических свойств обуславливает необходимость выбора ряда компонентов, способных обеспечить эти свойства композиционного материала. В частности, повышение износостойкости полимерного композиционного материала может быть достигнуто при достаточно высокой структурно-энергетической активности микро-и наноразмерных компонентов, например, таких как – углеродные нанотрубки (УНТ) и ультрадисперсный скрытокристаллический графит (СКГ). Такие структурно-активные наполнители существенно повышают уровень адгезионного взаимодействия компонентов, интенсивность структурообразующих процессов и способствуют формированию плотноупакованной структуры полимерного нанокомпозита с повышенными физико-механическими и триботехническими свойствами.
Образцы ПКМ, изготовленные по технологии холодного прессования и свободного спекания, испытывали на разрывной машине Zwick Roell с целью определения предела прочности при растяжении в и относительного удлинения при разрыве по методикам ГОСТ 11262-80 и модуля упругости Е - по методике ГОСТ 9550-81. На основании проведенных испытаний в автоматическом режиме построены диаграммы деформирования. На (рис.3.1) приведена диаграмма растяжения одного из образцов композиции №2. Результаты испытаний трех образцов представлены в таблице 3.1.
Исследование фазового состава и надмолекулярной структуры полимерных нанокомпозитов
Исследование закономерностей структурно-фазовых превращений в матрице при модификации ПТФЭ комплексным наполнителем, в том числе с использованием рассмотренного способа термообработки, повышающего эффективность структурной модификации, проводили методами рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии разрабатываемых ПКМ.
Для выявления закономерностей структурных изменений в матрице при модификации ПТФЭ комплексным наполнителем и использовании технологического приема, повышающего эффективность структурной модификации, был проведен рентгеноструктурный анализ ПКМ. Дифрактограммы, представленые на рис.3.7, 3.8., получены на рентгеновском дифрактометре D8 Advance в монохроматизированном Cu-K излучении (графитовый монохроматор на дифрагированном пучке, угол монохроматора 26,4 градуса). Напряжение и ток на трубке 40 кV и 40 mA, соответственно. По щелям: Div. slit 0.5 мм, Ant. slit 0.5 мм.
Полученные дифрактограммы отражают фазовый состав аморфно-кристаллической структуры ПТФЭ и содержат основную полезную информацию в области углов дифракции 2=10-60. Содержание кристаллической фазы характеризуется параметрами кристаллических пиков, а доля аморфной фазы определяется площадью аморфного гало.
На рисунках 3.7 и 3.8 показаны общие дифрактограммы от поверхностей образцов ПКМ, полученных при свободном спекании и в условиях ограничения теплового расширения. Дифрактограммы содержат аморфное гало третьего порядка отражения от плоскостей (001) полимерной матрицы ПТФЭ и дифракционные максимумы (003) и (100) от ее кристаллических областей, а также рефлексы от наполнителей. Полидисперсный СКГ проявляется в виде слабого рефлекса, а дисульфид молибдена - в виде многочисленных рефлексов, а также в виде слабых рефлексов проявлены углеродные нанотрубки.
Из дифрактограмм по положению дифракционных максимумов и их полуширине были рассчитаны параметры кристаллической ячейки «а» и «с», а также размер кристаллитов «L» по формулам (2.1, 2.2). Степень кристалличности определяли как отношение площади, занимаемой кристаллическими рефлексами, к общей площади кривой отражения в области углов 2 = 10о-20о за вычетом фона (2.4). На дифрактограмме поверхности образцов ПКМ, полученных спеканием в условиях ограничения теплового расширения (рис.3.8) высота рефлекса (100) значительно выше соответствующего рефлекса дифрактограммы поверхности ПКМ, полученного свободным спеканием (рис.3.7). Это свидетельствует о том, что степень кристалличности полимерной матрицы увеличилась.
ПТФЭ-остальное По положению дифракционных максимумов и их полуширине были рассчитаны параметры кристаллической ячейки «а» и «с», а также степень кристалличности «К» и размеры кристаллитов «L» (табл.3.4).
Технология изготовления образцов Параметры надмолекулярной структуры а, нм с, нм К, % L,нм Свободное спекание 0,563 1,59 56 70
Спекание при ограничении объемного теплового расширения 0,564 1,59 64 60 Результаты рентгеноструктурных исследований свидетельствуют о постоянстве параметров кристаллической ячейки ПТФЭ (а = b = 0,56 нм; с = 1,6 нм) при свободном спекании и при спекании в условиях ограничения теплового расширения, значения которых соответствуют ненаполненному ПТФЭ. Степень кристалличности ПКМ, синтезированных в условиях свободного спекания составляет 56 %, а в условиях ограничения теплового расширения – 64%. Средний размер кристаллитов, определенный по формуле Шеррера, при свободном спекании композиции составил 70 нм. При спекании в условиях ограничения теплового расширения получили 60 нм. Следовательно, спекание заготовок ПКМ с ограничением их теплового расширения приводит к уменьшению среднего размера кристаллитов на 14,3%. Данные (табл.3.4) показывают, что параметры кристаллической ячейки «а» и «с» в пределах погрешностей измерений остаются постоянными и не зависят от степени наполнения полимера и условий термообработки. Невысокие значения степени кристалличности ПКМ, содержащих комплексный наполнитель, при относительно высоком среднем размере кристаллитов, свидетельствует о небольшой доле кристаллических структурных элементов.
Полученные результаты свидетельствуют о сохранении общей закономерности формирования упорядоченных областей в матрице при ее модификации структурно активными наполнителями - уменьшение размеров упорядоченных областей матрицы, сопровождаемое, как правило, изменением морфологии ее надмолекулярной структуры и повышением характеристик механических и триботехнических свойств.
Результаты рентгеноструктурного анализа для композиций с различной концентрацией СКГ, полученного по технологии свободного спекания (получено совместно с Кропотиным О.В. и Егоровой В.А.[30]) представленные в виде концентрационных зависимостей степени кристалличности К и размеров кристаллитов L (рис. 3.9) показали, что параметры кристаллической ячейки «а» и «с» в пределах погрешностей измерений остаются практически постоянными и не зависят от степени наполнения полимера. Средний размер кристаллитов при концентрации СКГ 5% масс. уменьшается от 57 нм на 12,5% масс. и затем увеличивается. В интервале концентрации 10-25% масс. составляет 52-53нм и с увеличением концентрации до 30% масс. средний размер кристаллитов вновь незначительно уменьшается. и размера кристаллитов (2) для ПКМ состава: ПТФЭ+СКГ (получено совместно с Кропотиным О.В. и Егоровой В.А.) Повышение степени кристалличности наблюдается лишь при достаточно высокой концентрации графита (10%), когда геометрическое влияние большого количества частиц наполнителя на геометрию элементов структуры подавляется упорядочением кристаллических областей, окруженных дисперсными частицами скрытокристаллического графита. Для сравнения эффективности предложенного способа спекания образцов на рис.3.10 представлены концентрационные зависимости степени кристалличности ПКМ, полученного при свободном спекании и в условиях объемного ограничения теплового расширения.
Разработка конструкции герметизирующего устройства поддерживающего катка
При разработке герметизирующего устройства поддерживающего катка ходовой части в качестве прототипа использовали конструктивную схему ГУ оси опорного катка МГМ, согласно Патенту РФ № 2265767. С целью обеспечения взаимозаменяемости разрабатываемого ГУ и серийных герметизирующих устройств МГМ в разрабатываемой конструкции исключено регулировочное кольцо между силовыми и уплотнительными элементами, а также вместо одного уплотнительного элемента устанавливаются три с целью повышения надежности устройства.
Для определения величины контактного давления уплотняющего элемента на уплотняемую поверхность кронштейна поддерживающего катка проведен анализ кинематики движения деталей, участвующих в преобразовании движения и передачи усилий между элементами конструкции поддерживающего катка. Положения точек движущейся верхней ветви гусеницы, лежащей на поддерживающих катках, рис.4.2 использовано уравнение цепной линии [11]: где a - параметр цепной линии; x - координата точки. Параметр а равен длине условного свисающего отрезка гусеницы, под действием силы веса которого создается ее натяжение, равное выбранной стреле провиса. Из теоретической механики известно, что величина натяжения гибкой ленты, провисающей по цепной линии, определяется уравнение
Следовательно, зная параметр а, можно определить натяжение гусеницы. Величина параметра а может быть получена, если слагаемые уравнения цепной линии разложить в степенной ряд
Величина силы натяжения гибкой ленты Т, определенная по формуле (4.12), равняется 62378 Н. Следовательно, поддерживающий каток испытывает давление, равное 0,62 МПа. Контактное давление, которое действует на уплотнение, определяется из уравнения равновесия моментов сил, действующих на кронштейн, из которого следует, что Рк=\/4Т=0,\6МПа.
Контактное давление Рк между уплотняющим элементом и сопряженной уплотняемой цилиндрической поверхностью кронштейна является основным расчетным параметром конструкции герметизирующего устройства, определяющим условия смазки и вид трения (коэффициент трения, температуру в зоне трения), изнашивания уплотняющего элемента, степень герметичности и ресурс уплотнения.
Согласно расчетной схемы ГУ поддерживающего катка (рис.4.4) на уплотняющий элемент 4 действует давление упругих сил силового элемента 2, которое уравновешивается контактным давлением Рк и давлением рабочей среды. Распределение давления по уплотняемой поверхности для кольца круглого сечения описывается параболой с максимумом Ртах= ,5Рко. В первом приближении можно принять, что кривые распределения Рко определяются выражением [6]: где Кф - коэффициент для кольца круглого сечения; Е - модуль упругости ПКМ; - относительная деформация сжатия. Из расчетной схемы видно, что часть сил упругой деформации и следовательно, часть давления Рко идет на деформацию уплотняющей губки. Еще часть давления Рко идет на компенсацию неизбежного радиального износа Du уплотняющей губки и на компенсацию изменения радиального зазора Dt вследствие изменения температуры и различия коэффициентов линейного термического расширения полимера и металла.
Расчетная схема уплотнительного элемента поддерживающего катка: 1 – уплотняемая поверхность вала; 2 – силовой элемент (резиновое кольцо); 3 – корпус ГУ; 4 – уплотняющий элемент; Рк – давление, создаваемое уплотняющим элементом; Рк0 – давление, создаваемое силовым элементом.
Величина контактного давления, необходимая для деформации уплотняющей губки на величину износа в процессе эксплуатации Dи и величину температурной деформации Dt с учетом модуля упругости материала уплотнительного элемента и его конструктивных параметров в первом приближении можно рассчитывать по соотношению [6]:
Dи0,210 м -изменение диаметра вследствие износа; Df=2 h(п - с)t - изменение диаметра вследствие изменения температуры.
В условиях эксплуатации МГМ максимальное понижение температуры по сравнению с температурой во время сборки составляет 60 С Величина контактного давления, рассчитанная по выражению (4.14) с учетом коэффициентов линейного температурного расширения ПКМ и стали составляет 0,1 МПа.
Для обеспечения герметичности сопряженных полимерной и металлической поверхностей необходимо создать избыточное (сверх определенного давления Рк) контактное давление, которое обеспечит деформацию поверхностного слоя полимерной детали и заполнение микронеровностей сопряженной металлической поверхности. Величина этого давления зависит от жесткости материала полимерной детали, характеризуемой модулем упругости. Многочисленные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что герметичность уплотнений при использовании уплотнительных элементов из ПКМ на основе ПТФЭ достигается при избыточном контактном давлении не менее 0,1 МПа [6].
С учетом названного условия обеспечения герметичности принимаем величину избыточного контактного давления равной 0,3 МПа и получаем необходимое минимальное контактное давление Ршп = 0,1+0,3=0,4 МПа.
Полученное значение Ршп не учитывает процессов релаксации и старения резиновых колец - эспандеров в процессе эксплуатации. В результате названных процессов силы упругой деформации снижаются, а резиновые эспандеры приобретают остаточную деформацию. Многочисленные наблюдения и исследования показывают, что вследствие снижения сил упругой деформации в условиях длительной эксплуатации контактное давление может уменьшаться в 2 - 2,8 раза. Руководствуясь этими данными, задаем трехкратное увеличение начального контактного давления и принимаем Рkо = 1,2 МПа.
