Применение современных опорно-уплотнительных элементов в объемных гидродвигателях тяжелонагруженных систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Применение современных опорно-уплотнительных элементов в объемных гидродвигателях тяжелонагруженных систем

Куликов Д.В., аспирант 3 курса кафедра «Стартовыеракетныекомплексы»

МГТУ им. Н.Э. БауманаИнженер-конструктор 2 категории ФИЛИАЛ ФГУП «ЦЭНКИ» - «НИИСК имени В.П. Бармина»

Россия, г. Москва Зимин А.В., ведущийинженер-конструктор ФИЛИАЛ ФГУП «ЦЭНКИ» - «НИИСК имени В.П. Бармина»

Россия, г. Москва Научныйруководитель: Чугунков В.В., доктор технических наук, профессоркафедры «Стартовыеракетныекомплексы»;

Аннотация

Актуальность темы определяется тем, что технологический прогресс не стоит на месте, и для создания современной ракетно-космической техники необходимо использовать более новые материалы. В данной работе рассматривается ряд материалов с определенными технологическими характеристиками и выберем подходящий, который позволит улучшить показатели работы рассматриваемого изделия.

Ключевые слова: ракета космического назначения, телескопический гидроцилиндр, опорно-уплотнительные элементы, опорно-направляющая втулка. гидроустройство опорный нагрузка втулка

Abstract

The relevance of the topic is determined by the fact that technological progress does not stand still, and using the latest materials is necessary for creating a modern rocket and space equipment. The paper considers the issues of a number of materials with specific technological indicators and selects the appropriate material that will improve the performance characteristics of the product in question.

Keywords: space-mission vehicle, telescoping cylinder, supporting and sealing elements, guide bush support.

В условиях технологического прогресса, актуальной задачей, стоящей перед отечественной ракетно-космической отраслью, является формирование технических предложений для реализации на перспективных ракетных комплексах ракет космического назначения (далее - РКН).

Основной задачей является обеспечение подъема РКН стартовым оборудованием для последующей передачи РКН на стартовое устройство. Установка РКН на стартовое устройство производится с помощью стационарного установочного или передвижного транспортно-установочного агрегата.

Важнейшим элементом установочного агрегата является телескопический гидроцилиндр, выполняющий основные функции по подъему ракеты. Такие гидроцилиндры обеспечивают большой рабочий ход, при всем этом сохраняют свои небольшие габариты в сложенном положении.

Одним из наиболее важным элементом гидроцилиндра является опорно-уплотнительная составляющая, она же является подшипником скольжения.

Опорно-уплотнительные элементы (далее - ОУЭ) в конструкции играют очень важную роль, так как их правильный выбор, установка и совместное группирование влияет на надежность и долговечность гидравлических цилиндров и систем. Надежность опор и уплотнений обеспечивает отсутствие заклинивания и допустимую величину утечки, прочность на истирание, устойчивость в широком спектре рабочих жидкостей, термическую стойкость при высоких и низких температурах, а также низкий коэффициент трения, что непосредственно влияет на долговечность объемного гидродвигателя.

Опорным элементом, в рассматриваемом случае, является опорнонаправляющая втулка, уплотнительными - комбинированные резинофторопластовые кольца или резино-полиамидные кольца.

Предлагаемая работа посвящена улучшению ряда характеристик гидравлического устройства путем анализа конструкции, выбора материала, подбора габаритов опоры путем расчетов этих опор на удельное давление, а также выбор наиболее предпочтительных изготовителей втулок с учётом рынка современных ОУЭ.

Для вновь разрабатываемого гидроцилиндра подъема, который будет использоваться на космодроме «Восточный», были проведены конструкционные изменениям гидроцилиндров, используемые ранее на космодроме «Плесецк». Различие между гидроцилиндрами заключается в том, что в разработанном варианте используется новое конструкционное исполнение и производится выбор современных материалов для некоторых узлов, которые способствуют улучшению характеристик изделия.

Перейдём к подробному рассмотрению вопроса. Так как изменения произошли в сторону увеличения нагрузок на гидроцилиндр, необходимо проверить нагрузочную способность используемых бронзовых направляющих с целью теоретической проверки работоспособности гидроцилиндра.

Рассмотрим базовый вариант с бронзовой втулкой, который использовался ранее (см. рисунок 1).

Во время проведения расчётов полученные данные удельных давлений для 1-ой и 11-ой ступеней можно считать удовлетворительными и, ввиду трудоёмкости изменения уже проработанной конструкции, эти втулки можно оставить в конструкции, так как угроза задира минимальна.

Однако на 111-ей ступени гидроцилиндра удельное давление, по результатам расчета, на опорно-направляющую втулку является критическим, высока вероятность пластического деформирования втулки и задира на хромированной поверхности цилиндра. Возникла необходимость замены материала втулок гидроцилиндра на материал с более высокими характеристиками с сохранением габаритов гидроцилиндра. Бронзовые опорные втулки, ввиду их низкой несущей способности и наличия твёрдых включений из фосфида меди, в тяжелых условиях нагружения применять не рекомендуется (см. рисунок 2).

Конструкция втулок, предлагаемая для внедрения, бывает двух типов:

1) Втулка с пазами

2) Втулка с прямым или косым резом

Пазы и прорези во втулках необходимы для стабильности формы втулки при работе под давлением в поршневой и штоковой полости гидроцилиндра. У разных фирм есть свои рекомендации по конструктивному исполнению, зависящему во многом от условий работы гидропривода. В частности, для вновь разработанного гидроцилиндра можно выполнять как косой, так и прямой рез. Так как при прямом резе втулки, при подаче рабочей жидкости под давлением, возможность скола материала с острой кромки минимальна.

Рисунок 2. Расчетная схема для определениянагрузок на втулки показана на удельноедавление

По опыту как отечественных, так и зарубежных производителей опорно - направляющих элементов существует два способа монтажа втулок в узлы гидропривода. На практике втулки устанавливают либо в отдельную канавку для каждой, либо «пакетом» втулок в одну общую канавку. Общую длину втулок, в случае установки «пакетом», производители предлагают определять приближенно по формуле:

где к=2 - двукратныйкоэфф. запаса, Q (Н) - радиальнаянагрузка на втулку, Р (Н/мм²) - допустимоеудельноедавлениематериала, d (мм) - диаметр поршня/штока.

Современные опорно-направляющие втулки изготавливаютизпластмасс и термопластов, которыеимеютследующиепреимущества и недостатки (см. рисунок 3):

Рисунок 3. Преимущества и недостаткипластмасс и термопластов

В результате анализазарубежных и отечественныхконструкцийгидроцилиндров, а такжематериалов для опорно-направляющих втулок, быливыбраныследующиематериалы:

1) Полиамид:

По свойствамполиамид и бронзонаполненный PTFE оченьблизки, но полиамид не способен «поглощать» твердыевключения, способныепопасть в пару трения, хромированнаяповерхность - опорная втулка.

• Отечественный тип: ПА6, и болеежесткий ПА 66 (Нейлон 6);

• Зарубежный аналог: «Армамид»;

• Температура эксплуатации (средниепоказатели): -30°С; + 120°С;

• Допускаемоеудельноедавление: [Р] = 10.. .15 Н/мм2 .

2) Стеклонаполненныйполиамид:

Он же - полиацеталь. Используется в техникекак в чистом виде, так и с добавлениемстекловолокна.

• Зарубежноеобозначение : «РОМ»;

Этот тип являетсясредним по нагрузочнойспособностиматериалом, характеризуетсяболеевысоким модулем упругости и допустимымудельнымдавлением по отношению к обычномуполиамиду.

• Температура эксплуатации (средниепоказатели): -40°С; + 110°С;

• Допускаемоеудельноедавление: [Р] = 40 Н/мм2.

Особенностьюработыэтоготипа в качестве опорно-направляющего

материалаявляетсяснижениенагрузочнойспособности с повышениемтемпературыэксплуатациивыше +60°С

3) Фенолформальдегидная смола, усиленнаятекстильнойосновой: Она же - полиэфирная смола. Существует в следующихвариациях

исполнения:

а)Без усиления

б)Усиленнаятекстильнойосновой - являетсяоптимальной для сверхмощныхцилиндров, используется в машинах в тяжелых режимах эксплуатации.

• Температура эксплуатации (средниепоказатели): - 40°С; + 120°С;

• Допускаемоеудельноедавление: [Р] = 100 Н/мм² .

Полиамиды и полиэфирыустойчивы к воздействиюуглеводородов, масел, спиртов, эфиров, щелочей, слабых кислот, имеютнизкиекоэффициентытрения Г = 0,1... 0,20.

Нужноотметить, что опорно-направляющие втулки должныработать в паре с уплотнительнымикольцами, обеспечивающимивысокуюгерметизациюузла. Современныеуплотнительныекольцаявляютсякомбинированными, поверхностьюскольженияявляетсяполиамидили фторопласт, которыйплотноподжимается к уплотняемойповерхностирезиновымкольцомизмаслостойкойрезины. Рабочейсредой у таких колецявляется широкий спектр минеральныхмасел.

К достоинствам таких колецможноотнести:

1) Низкийкоэффициенттрения (фторопласт-сталь, полиамид-сталь) по отношению к резиновымкольцам.

2) Исключениеконтакта резинового кольца с трущимисяповерхностями, чтоявляетсяповышениемресурсакольца.

3) Исключениеперекручивания резинового кольца в канавке.

4) Герметичность в соответствии с классом А по ГОСТ 16514-87.

Для большегоудобства и простаты, в дальнейшем будем рассматриватьтолькозначения на 111-ей ступенигидроцилиндра. Выберемопорнонаправляющие втулки, которыебудутизготовленыизполиамидов, и проверимих на удельноедавление.

Достоверноизвестны характеристики лишьнекоторыхполиамидовотечественногопроизводства. Зачастую характеристики по удельномудавлению и модулю упругости для таких материаловполностьюотсутствуют. Поэтому будем руководствоватьсяусредненнымипоказателями. Так, для полиамидныхподшипниковдопускаетсяудельноедавлениеравное10.15 МПа (1.1,5 кН/см2) и рабочая температура до 100°С.

Модуль упругостивыбираемсогласно каталогу ЭЛКОНТ. Ввиду того, чтонагрузки на втулки для 1-ой и 11-ой ступенейявляютсянезначительными и находятся не слишкомблизко к границе текучести, расчет будем проводить далеетолько для Ш-ей ступени.

Выбираемопорныекольцаизполиамидашириной 20 мм. Устанавливаем в одну общую канавку “пакетом”. Проводим расчет и получаемРтах = 0,895 кН/см2 при допустимыхРтах = 10 кН/см2.

Конструкционныеизмененияпоказывают, чтопредложенное в предыдущемвариантеколичество шайб былоспособновыдержатьнеобходимуюрадиальнуюнагрузку, возникающую от моментатрения в подшипнике. Однаконеобходимобылоучитыватьхаотичноерасположениепрорези на опорнойвтулке. Масло в полостигидроцилиндраподдавлениемдолжно проходить через прорезь во втулке и оказыватьравномерноевоздействие на втулку с обоихторцов. И именноэтоявляетсякритериемработоспособностигидроцилиндра. В случаерасположения втулок в однойобщейканавке, при прочихравныхусловиях, имеетместодеформация пакета втулок в радиальномнаправлении, и, какследствие, движениегидроцилиндрарывками, а в тяжелыхслучаях - полноезаклинивание. Во избежаниеэтого, необходимопредусматриватьпазы в поршнях и буксах гидроцилиндров, чтоведет к снижениюплощадиконтакта, а также к повышениюстоимостиизготовления деталей из дорогих легированных сталей. Некоторыепроизводителиделаютпродольныепропилы в самойвтулке.

В результате анализаконструкциибылоприняторешениеподобрать одну опорно-направляющую втулку с требуемойнагрузочнойспособностью.

Рассмотримеще один материал для опорно-направляющих втулок, но уже изформальдегиднойсмолы. Используемпараметры втулки типа Е22Т, Е21Т, предлагаемыефирмой ЭЛКОНТ, и такжепроверимих на удельноедавление.

В рамках данногорасчетапринимаем модуль упругости для:

• формальдегиднойсмолыравным 7000 кН/см² и 1275 кН/см², как 1,5 от модуля;

• упругостиполиамидов (данные ЭЛКОНТ).

Таким образом, при модулеупругости для формальдегиднойсмолыравным 7000 кН/см2, максимальноеудельноедавлениесоставляет:

А) Для втулки на буксе Ртах = 1,958 кН/см2;

Б) Для втулки на поршнеРтах = 1,125 кН/см2.

При модулеупругости для формальдегиднойсмолыравным 1275 кН/см2, максимальноеудельноедавлениесоставляет:

А) Для втулки на буксе Ртах = 1,428 кН/см2;

Б) Для втулки на поршнеРтах = 0,862 кН/см2.

Максимально допустимоеудельноедавление для материала:

[Р] = 10 кН/см2.

В результате, III ступень гидродомкратаспособнавыдерживатьвозникающиерадиальныенагрузки на опорные втулки в самомопасном моменте подъема РКН - в концеподъема при действиизаложеннойранее в расчетахветровойнагрузки. Повреждениехромированнойповерхностиисключаетсяввиду установки в узелгидродомкрататермопластафирмы “ЭЛКОНТ-комплект”.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Используяполученныйопытэксплуатациипредыдущегоизделия, а также на основаниипроведенныхрасчетов, принимаемрешение о внедрениисовременных ОУЭ в основныеузлыразрабатываемогоагрегата.

Модуль упругости втулок изформальдегиднойсмолы, ввидуотсутствияподробныхданных по данному типу материала, былвыбранвесьмаориентировочно (в болеехудшую сторону) как для стеклопластиков с высокойпримесьюстекловолокна. Этоозначает, чточемвышеупругостьматериала, тем меньше площадка контакта опорно-направляющих втулок с цилиндром и штоком. Следовательно, максимальноедавление на рабочейповерхности с условиемполусухоготрениябудетвыше, чем у материалов с болеенизким модулем упругости.

В итоге, были подобраны опорно-направляющие кольца отечественной фирмы “ЭЛКОНТ-комплект” Е21Т и Е22Т шириной 40 мм. Особенностью и, в некотором роде, уникальностью этих втулок является наибольшая толщина монолитной втулки среди всех рассматриваемых производителей т.е. площадка контакта у поршня будет заведомо больше, чем у втулки при прочих равных условиях. Монолитная втулка длиной 40 мм предпочтительнее, чем пакет из двух втулок по 20 мм, или две аналогичные 20 мм втулки в индивидуальной канавке.

Улучшение характеристик гидроцилиндра достигнуто за счет перехода от традиционных бронзовых и чугунных опорных втулок к более совершенным композитам: термопластам и пластикам.

В дальнейшем, при проектировании новых изделий необходимо полностью отказаться от использования в гидроустройствах опорных втулок устаревшего типа.

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ

1. Матюшев И.И., Белозеров Б.П., Любовицкий В.П. Справочник конструктора: Справочно-методическое пособие. Политехника, 2006.--1027 с.

2. Каталог группа компаний ЭЛКОНТ. КОМБИНИРОВАННЫЕ УПЛОТНЕНИЯ И ОПОРНО-НАПРАВЛЯЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ из полимерных и композиционных материалов для гидро-пневмо систем, 2007.-- 36 с.

3. Общие ресурсы по полимерам: сайт ANIDPOLYMERS. [Электронный ресурс]. URL: http//www.anid.ru(дата обращения: 24.10.2018).

4^ Общие ресурсы по пластмассам: сайт ПластЭксперт. [Электронный ресурс]. URL: http//www.e-plastic.ru(дата обращения: 24.10.2018).

Общие ресурсы по пластмассам: PLASTINFO. [Электронный ресурс]. URL: http//www.plastinfo.ru (дата обращения: 24.10.2018).

Размещено на Allbest.ru