Большое влияние на изнашивание манжет в подвижном трибосопряжении типа «вал-уплотнение» оказывает состояние контактирующих поверхностей манжетного уплотнения и вала, а также наличие «третьего тела» - смазочного материала, находящегося в виде пленки фрикционного переноса. При работе трибосопряжения наблюдается повышение интенсивности изнашивания из-за изменения строения и свойств поверхностных слоев контактирующих деталей и смазочного материала.

Процесс изнашивания трибосопряжения типа «вал-уплотнение» резко интенсифицируется:

- при увеличении относительной скорости скольжения;

- биениях и неправильной геометрии контактирующих поверхностей;

- работе в режимах «старт» и «останов»;

- наличии абразива в зоне трения;

- изменении температуры и влажности окружающей среды.

В результате возникают различные дефекты: следы абразивного изнашивания, нарушение геометрии поверхностей деталей, объемное сужение или разбухание полимерных материалов уплотнений и др.

Интенсивность изнашивания определяют по формуле [1]

, (1)

где - удельный износ, принятый при температуре 100 ⁰С и относительной скорости скольжения 1 м/с; - критическая температура разрушения материала манжеты; - коэффициент, определяющий влияние температуры; , - коэффициенты, определяющие влияние относительной скорости скольжения.

Для расчета интенсивности изнашивания по формуле (1) требуется получение эмпирических коэффициентов ,, и учет влияния дополнительных факторов, таких, как, смазываемость, а также упругих свойств манжеты и браслетной пружины.

Интенсивность изнашивания за весь период эксплуатации можно записать выражением

, (2)

где - толщина слоя, изношенного на пути трения .

Путь трения каждой точки рабочей кромки манжеты по валу до полного ее износа, т. е. до приближения натяга в трибосопряжении «вал-уплотнение» к нулю, равен длине окружности рабочей кромки, умноженной на общее число оборотов вала за период износа.

Тогда толщина изношенного слоя

, (3)

где - диаметр рабочей кромки манжеты в свободном состоянии при натяге в трибосопряжении, стремящемся к нулю; - диаметр вала.

Путь трения

, (4)

где - число оборотов вала за период износа.

После подстановки выражений (3, 4) в формулу (2) для интенсивности изнашивания можно получить выражение

. (5)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Если считать, что трибосопряжение «вал - уплотнение» является металлополимерной трибосистемой (рисунок), состоящей из металлической части 1 и полимерной части 2, которые находятся в контакте по полимерной пленке фрикционного переноса 3, то интенсивность изнашивания определится износом части полимерного материала (уплотнения), величину которого можно рассчитать по формуле

, .

где - масса изнашиваемого материала контактирующего элемента уплотнения; - плотность полимерного материала уплотнения; - площадь поверхности трения.

Тогда справедливо равенство .

Замена величины изношенного слоя трибосопряжения величиной линейного износа полимерного материала уплотнения в выражении (5) позволяет получить выражение для интенсивности изнашивания в виде

. (6)

Масса изнашиваемого материала контактирующего элемента уплотнения может быть определена из уравнения баланса энтропии [2]:

, (7)

где - изменение энтропии вследствие физико-химических процессов, происходящих в трибосистеме под влиянием внешних энергетических воздействий; - изменение энтропии вследствие износа полимерного материала трибосистемы.

Величина полимерного материала остается неизменной во времени, определяется теплофизическими свойствами компонентов материала и установившейся температурой в зоне трения. Поэтому предлагается принимать в качестве критерия износостойкости [2].

После подстановки выражения (7) в формулу (6) для интенсивности линейного износа можно получить выражение

. (8)

Изменение энтропии вследствие физико-химических процессов можно определить из решения тепловой задачи [2]:

, (9)

где - параметр, отражающий часть энергии, затраченную непосредственно на изнашивание (разрушение материала), зависящий от структурных изменений материала в зоне трения; - температура уплотнения в зоне скользящего контакта трибосопряжения «вал - уплотнение»; - мощность трения; и - тепловые потоки в уплотнение и вал соответственно.

Так как теплота, идущая на нагрев поверхностей трения, в среднем составляет около 85% [2], то уравнение теплового баланса можно записать как изнашивание манжета трибосопряжение термодинамический

. .

Тогда после подстановки уравнения теплового баланса (9) в выражение (8) можно получить формулу

. (10)

Мощность трения может быть определена как

, (11)

где - коэффициент трения при граничном режиме смазки; - среднее контактное давление на контактирующем элементе уплотнения; - относительная скорость скольжения трущихся поверхностей.

Среднее контактное давление на контактирующем элементе уплотнения можно определить по формуле [3]

, (12)

где - удельное усилие на контактирующей кромке манжеты; - ширина контактной поверхности; , , , - составляющие удельной силы контакта для контактирующего элемента уплотнения: от растяжения губки манжеты, деформации изгиба губки вследствие эксцентричной посадки манжеты относительно вала; растяжения пружины; перепада давлений на профиле губки.

Температуру уплотнения в зоне скользящего контакта трибосопряжения «вал - уплотнение» можно определить по формуле

, (13)

где - температура вала в статических условиях; - удельное усилие на контактирующем элементе уплотнения; и - теплопроводности материалов вала и уплотнения; - критерий, являющийся функцией критериев Рейнольдса () и Прандтля (), удельной теплоемкости и плотности окружающей среды.

Если подставить в формулу (10) выражения (11 - 13), то после соответствующих преобразований можно получить изменение энтропии в виде уравнения

. (14)

Тогда после подстановки уравнения (14) в выражение (8) можно получить интенсивность изнашивания трибосопряжения «вал -уплотнение» в виде

.

Следует отметить, что на основе уравнения баланса энтропии в локальной форме и гипотезы о локальном равновесии систем получена модель металлополимерной трибосистемы для определения интенсивности изнашивания трибосопряжения типа «вал - уплотнение», которая позволяет учесть влияние физико-химических процессов на изнашивание материала и оценить износостойкость трибосопряжения на этапе проектирования машины или механизма.

Список литературы

1. Кондаков, Л.А. Уплотнения и уплотнительная техника: справочник/ Л.А. Кондаков, А.И. Голубев, В.В. Гордеев [и др.]; под общ. ред. А.И. Голубева, Л.А. Кондакова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1994.- 448 с.

2. Машков, Ю. К. Композиционные материалы на основе политетрафторэтилена. Структурная модификация/ Ю. К. Машков, З. Н. Овчар, В. И. Суриков, Л. Ф. Калистратова. - М.: Машиностроение, 2005.- 240с.

3. Шец, С.П. Повышение герметизирующей способности манжет комбинированием с магнитожидкостным уплотнением/ С.П. Шец// Вестн. БГТУ. - 2007.- №2.- С.27 - 31.

Размещено на Allbest.ru