Введение к работе
Актуальность проблемы. Наиболее распространенным элементом гидрофицированной сельскохозяйственной техники является силовой гидроцилиндр. Силовые гидроцилиндры компактны, позволяют создавать большие рабочие усилия и легко осуществлять сложное движение исполнительного органа, при этом относительно просты по устройству и безопасны в работе.
В тоже время анализ литературных источников показывает, что надежность силовых гидроцилиндров находится на недостаточном уровне. Так, например, около 6…15 % отказов гидронавесной системы новых сельскохозяйственных тракторов тягового класса 1,4 и 3,0 связано с выходом из строя гидроцилиндра. В общем количестве отказов погрузчика ПЭ-08 на долю гидроцилиндров приходится самое большое количество отказов – 17,2 %. При этом отказы гидроцилиндров в 42…45 % случаев обусловлены негерметичностью уплотнительных узлов, среди которых 52 % отказов падает на уплотнения штока и 40 % – поршня, т.е. 92 % отказов данного вида связаны с негерметичностью подвижных соединений. Это приводит к ухудшению не только качества работы и понижению КПД агрегата, но и загрязнению среды нефтепродуктами.
В связи с этим исследования, направленные на решение задачи повышения долговечности активных уплотнений, а тем самым и надежности силовых гидроцилиндров сельскохозяйственной техники, являются актуальными.
Цель работы – повышение долговечности активных уплотнений гидроцилиндров сельскохозяйственной техники модификацией посадочных мест под уплотнители, обеспечивающей снижение скорости релаксации напряжений в областях контакта уплотнителя с герметизируемыми деталями.
Объект исследования – активные уплотнения для герметизации подвижных соединений силовых гидроцилиндров сельскохозяйственной техники.
Предмет исследования – принципы конструктивного исполнения посадочных мест, обеспечивающие снижение скорости релаксации напряжений в областях контакта активных уплотнителей с герметизируемыми деталями силовых гидроцилиндров.
На защиту выносятся:
– результаты численного моделирования контактного взаимодействия эластомерного уплотнителя круглого сечения и абсолютно-жесткого контртела при различных конструктивных параметрах исполнения посадочного места под уплотнитель;
– математическая модель нагружения комбинированного уплотнения и результаты численного исследования влияния конструктивных параметров исполнения на напряженно-деформированное состояние полимерных деталей и ресурс уплотнения по критерию предельных контактных напряжений;
– методики и результаты стендовых и микрометражных исследований деталей и элементов подвижных уплотнительных соединений силового цилиндра ГУР трактора МТЗ 80/82;
– методика, стенд и результаты триботехнических испытаний низкомодульных полимеров в условиях объемного сжатия, агрессивного воздействия масла И-20А и высоких температур;
– методика и результаты расчета долговечности активных уплотнений гидроцилиндров сельскохозяйственной техники;
– конструкции уплотнений активного типа для герметизации подвижных и неподвижных соединений силовых гидроцилиндров и технологический процесс ремонта гидроцилиндра ГУР трактора МТЗ 80/82, обеспечивающий повышение долговечности поршневых и штоковых уплотнений.
Научная новизна работы:
– методами математического и физического моделирования обоснован принцип модификации посадочных мест под уплотнители круглого сечения, позволяющий снизить скорость релаксации напряжений в области контакта уплотнителя и герметизируемого контртела;
– установлено, что наибольший ресурс по критериям предельных контактных напряжений и скорости снижения площади контакта уплотнителя и контртела обеспечивает соединение, в котором деформированное сечение уплотнителя соответствует сечению эллиптического тора, сегменты которого образуют объемы дополнительных канавок, выполненных на дне канавки прямоугольного сечения и в контрдетали;
– получены регрессионные уравнения, адекватно описывающие зависимость интенсивности изнашивания и коэффициента трения по стали 40Х в среде масла И-20А фторопласта марок Ф4 и Ф4К20, резины 7-ИРП-1269 и капролона от гидростатического давления, скорости скольжения и температуры;
– разработана математическая модель осесимметричного нагружения комбинированного уплотнения, позволяющая оценивать напряженно-деформированное состояние металлических и полимерных деталей соединения при различных конструктивных параметрах их исполнения;
– разработана методика расчета долговечности активных уплотнений гидроцилиндров сельскохозяйственной техники, учитывающая факторы температуры и давления рабочей среды, «внешнего» и «внутреннего» износа полимерных деталей;
– разработана компьютеризированная методика пластометрических испытаний и рассчитаны реологические константы обобщенной модели Максвелла для резины шифра 7-ИРП-1269 и фторопласта Ф4К20 для условий теплового старения в среде масла И-20А.
Программа исследований имела следующую последовательность: получение экспериментального факта и установление причин низкой долговечности уплотнительных соединений; исследование реологических и трибологических характеристик низкомодульных полимеров, используемых в уплотнительной технике; численное моделирование контактного взаимодействия эластомерного уплотнителя круглого сечения и абсолютно-жесткого контртела; разработка и реализация математической модели нагружения комбинированного уплотнения; разработка конструкций активных уплотнений с повышенной долговечностью для герметизации неподвижных и подвижных соединений; теоретическая оценка значений их ресурсов; оценка достоверности полученных результатов стендовыми и эксплуатационными испытаниями; разработка технологического процесса ремонта силовых гидроцилиндров, обеспечивающего повышение долговечности уплотнений подвижных соединений.
В ходе выполнения работы были использованы методы и положения нелинейной механики сплошной среды, математического моделирования (в частности, метод конечных элементов), системного исследования, математической статистики и регрессионного анализа. Численное моделирование и обработка экспериментальных результатов проводились с использованием современных программных комплексов и вычислительных средств. Исследование реологических и трибологических характеристик низкомодульных полимеров проводилось как по известным, так и оригинальным методикам.
Практическую значимость представляют:
– новые конструкции активных уплотнительных устройств с повышенной долговечностью для герметизации подвижных и неподвижных соединений гидроцилиндров (патенты РФ на изобретения № 2353838 и № 2335680);
– технологический процесс ремонта силового цилиндра ГУР трактора МТЗ 80/82, обеспечивающий повышение долговечности поршневых и штоковых уплотнений;
– реконструированная машина трения, разработанная на базе программного комплекса LabVIEW 8.0 фирмы NI (США), компьютерная система управления и устройство для триботехнических испытаний низкомодульных полимеров в условиях объемного сжатия, агрессивного воздействия жидких сред и высоких температур (патент РФ на полезную модель № 85649).
Реализация результатов исследований. Результаты опытно-конструкторской разработки «Универсальный стенд для триботехнических испытаний материалов на базе компьютерных технологий компании National Instruments (USA)» внедрены в малом инновационном предприятии ООО «Ресурс» (г. Саранск), учебно-научно-производственном центре и учебном процессе ГОУВПО «МГУ им. Н.П. Огарева». Конструкции неподвижных уплотнительных соединений внедрены в ООО «МордВестагроцентр» (г. Саранск).
Апробация. Основные положения и результаты работы доложены на VI Республиканской научно-практической конференции «Наука и инновации в Республике Мордовия» (г. Саранск, 2007 г.); XXXVI и XXXVII Огаревских чтениях ГОУВПО «МГУ им. Н.П. Огарева» (г. Саранск, 2007, 2008 гг.); XIII научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов ГОУВПО «МГУ им. Н.П. Огарева» (г. Саранск, 2008 г.); VII и VIII Международных научно-практических конференциях «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments» (г. Москва, 2008, 2009 гг.); Всероссийской научно-технической конференции «Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем» (г. Саранск, 2008, 2009 гг.); на расширенном заседании кафедры механизации переработки сельскохозяйственной продукции ГОУВПО «МГУ им. Н.П. Огарева».
Доклад «Применение технологий машинного зрения компании National Instruments для автоматизации оценки износа уплотнителей круглого сечения» удостоен диплома III степени VII Международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments» в секции «Промышленная автоматизация и встраиваемые системы» (г. Москва, 2008).
Диссертант удостоен звания «Лучший аспирант 2009 года» ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева».
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 17 печатных работах, в том числе 1 в изданиях по «Перечню…» ВАК Минобразования и науки РФ, получено 2 патента на изобретения «Уплотнительное соединение» и «Комбинированное уплотнительное соединение», патент на полезную модель «Устройство для триботехнических испытаний низкомодульных полимеров в условиях объемного сжатия».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 222 страницах машинописного текста, включает 115 рисунков, 212 источников литературы, 8 таблиц и приложения.
