К выбору марки резины при сервисном обслуживании амортизирующих устройств

Снижение вибрационных и ударных нагрузок при работе различного технологического оборудования – актуальная проблема современной техники [1–5]. Одним из путей уменьшения вибрационных нагрузок является применение амортизатор различных конструктивных схем. По принципу действия амортизаторы можно разделить на механические (сухого трения), гидравлические (вязкого трения), электромагнитные, комбинированные и др. Механические амортизаторы [6–11] имеют достаточно простую конструкцию, в которой для гашения колебаний применяют металлические (пружины, рессоры) или неметаллические (резина, полиуретан, полиизобутилен) упругие элементы.

При изготовлении неметаллических демпфирующих элементов часто в качестве материала используют резину [10–14]. Резина является продуктом вулканизации каучука, который обладает небольшой себестоимостью, что и обусловило его частое использование в различных изделиях. В качестве примеров использования резиновых демпфирующих элементов можно назвать виброизоляторы вентиляторов типа ВР-200 [15], амортизаторы для корабельных систем и оборудования типа АКСС [16]. Резиновые демпфирующие элементы обладают рядом достоинств: простотой конструкции и технологии изготовления; высокой удельной энергоёмкостью; способностью к значительным деформациям; нечувствительностью к воздействию пыли и воды. Среди недостатков таких элементов можно отметить следующие: различная величина статической и динамической жёсткости; возникновение остаточных деформаций при действии циклической нагрузки; отклонение свойств резины одной марки от номинального значения; чувствительность к температуре эксплуатации.

При проектировании резиновых демпфирующих элементов предпочтение следует отдавать литьевым маркам, так как они имеют низкий процент остаточной деформации при сжатии и сохраняют свойства при низких и высоких температурах в сравнении с вальцуемыми и термопластичными полиуретанами. В процессе эксплуатации и сервисного обслуживания амортизаторов возникает задача замены отработавших свой ресурс демпфирующих элементов. Выполним анализ возможности применения некоторых марок резин, при изготовлении демпфирующих элементов. К резинам (табл. 1), обладающим хорошей долговечностью в условиях циклического деформирования и диссипативного разогрева можно отнести марки на основе: изопренового каучука (51–1562); уретанового каучука (СКУ–8); бутадиен-нитроль-ного каучука (ИРП1–1401).

Таблица 1 - Механические характеристики резины

Марка резины Статическое сжатие Динамическое сжатие [СТСт], МПа [е], % [аДН ] , МПа [е], % ИРП-1401 0,6^0,710. 10^15 0,5 3...8 51-1562 0,8 30...40 0,3 10^15 СКУ-8 0,9...1,8 15^20 0,4 5^10 только в исключительных случаях – при разруше-

Опыт применения резиновых демпфирующих элементов в различных амортизирующих устройствах показывает, что резина, как материал, достаточно хорошо противостоит разрушающему воздействию различных повреждающих факторов (масла, технических жидкостей, озона, солнечной радиации и др.). Обычно, повреждение резиновых элементов при воздействии данных, а также механических факторов сосредотачиваются в поверхностном слое. Несмотря на это, основным фактором, влияющим на ресурс резиновых демпфирующих элементов, является диссипативный разогрев, величина которого влияет на окислительные процессы в резине и как следствие на скорость старения.

Точная количественная оценка эксплуатационных характеристик (прочности, несущей способности, долговечности и др.) резиновых демпфирующих элементов представляет собой сложную задачу, т.к. механические характеристики эластомеров могут изменяться в определенном диапазоне. Например, на величину модуля упругости резины оказывают влияние твердость, степень вулканизации, величина деформации и др. факторы. Причем особенностью технологического процесса изготовления резины является отклонение её физических и механических свойств от номинальных значений, даже для элементов одной партии, которые могут превышать 10…15 %.

Закон Гука, по которому модуль упругости Е постоянная величина, а напряжение т пропорционально относительной деформации е для резины справедлив только для ограниченного диапазона деформаций. Согласно ГОСТ ISO 7743–2013 «Резина и термопласты. Определение упругопрочностных свойств при сжатии» зависимость т = еЕ применима при деформации до 5 %, для больших величин деформации от 5 до 30 % необходимо использовать модифицированную зависимость т = еЕ/ (1 - е ). При этом деформации при работе резиновых демпфирующих элементов могут достигать и больших значений. Отношение динамического модуля упругости к статическому может меняться в диапазоне от 1,18 до 2,0 и более [17].

Предел прочности при растяжении и относительное удлинение, которые часто приводятся в справочниках, на практике имеют ограниченное применение, т.к. эти величины достигаются нии изделия.

Обычно для каждого конкретного случая функционирования демпфирующих элементов используют свои приближенные зависимости. Так для резиновых демпфирующих элементов упругих муфт [18] допустимое напряжение принимают: [т] = (0,12...0,15)Е (муфты с торобразной оболоч кой); [т] = (0,15...0,20)Е (муфты с упругим диском).

В процессе эксплуатации резиновые демпфирующие элементы подвергаются деформациям сжатия, изгиба, кручения, сдвига и нескольким видам деформации одновременно. В большинстве случаев демпфирующие элементы амортизаторов работают в условиях циклического сжатия.

В настоящее время существуют различные подходы к оценке работы резиновых элементов при циклическом нагружении [18–25].

В качестве сравнения эксплуатационных свойств демпфирующих элементов примем ресурс работы до разрушения. Воспользуемся зависимостью для определения ресурса работы резинового элемента, с учетом развивающихся в материале повреждений [23]

t = т C exp

U 0 ^- Y^T

RT

где т — константа материала резина, т_й =1*10^-13 с.; C - коэффициент повреждаемости материала; U_o - энергия активации процесса разрушения материала; у - структурно-чувствительный коэффициент; т - напряжение; R - газовая постоянная, R =8,32*10 3 Дж/(моль*К); T - температура диссипативного разогрева.

Коэффициент, учитывающий повреждаемость материала вследствие образования микротрещин, определяется как [23]

C = ln--- ^{А р} ^ ---,

Ар„ - АРкр где    Ар„ - концентрация перенапряжённых связей в материале, которые могут разрушиться под действием тепловых флуктуаций; Ар^ - критическая концентрация повреждений в объёме резины.

Коэффициент C при эксплуатации резиновых элементов с температурой диссипативного разогрева до 323 К (50 ºС) можно принять равным 3,5, с температурой больше 323 К - 4,5 [23].

Структурно-чувствительный коэффициент характеризует прочностные свойства упругого материала, он является функцией напряжения и температуры диссипативного разогрева y = f (^, T) • Она определяется экспериментально или выбирается из справочников. Например, для резины марки 51–1562 [23]

Y = 103,9 - 8,3 ^ - 0,23 T .

На рис. 1 приведена гистограмма сравнительной оценки теоретического ресурса резины различных марок, выполненного по формуле 1.

Рисунок 1 – Ресурс упругих элементов из резины марок: 1 – ИРП-14010; 2 – 51–1562; 3 – СКУ–8

Как видно из полученных результатов ресурс рассматриваемых марок резины изменяется в диапазоне от 7,5 до 12,2 тыс. ч. Наибольшим ресурсом обладает элементы, выполненные из резины марки 51–1562, ресурс элементов из резины марок СКУ–8 и ИРП-14010 соответственно меньше в 1,46 и 1,62 раза.

Согласно данным источника [23] для инженерной практики достаточно ресурса 6…12 тыс. ч., причем его величина зависит от условий эксплуатации и может быть выше. Например [23], для резины марки 51–1562 при циклическом нагружении при сдвиге с частотой 70 с-1 и температуре диссипативного разогрева 52…56 ºС наработка до отказа может быть больше 30 тыс. ч.