Методика прогнозирования надежности и ресурса подвижных герметизирующих устройств с учетом формоизменения элементов в процессе фрикционного взаимодействия

I. Выбор информационного параметра и его предельного значения, определяющего надежность (ресурс) устройства.

При разработке (оптимизации) конструкции и выборе применяемых материалов целесообразно использовать в качестве параметра (критерия), определяемого с учетом формоизменения элементов устройства в процессе трения, такой параметр как наработка (время работы, путь пробега, количество циклов и т.д.). В зависимости от типа устройства, условий эксплуатации и параметров надежности целесообразно использовать следующие предельные значения параметра, зависящие от утечки и определяющие надежность (ресурс) ГУ:

• -    наработка до достижения критического значения удельной утечки;

• -    наработка до перехода в следующий класс негерметичности;

• -    наработка до достижения критического расхода герметизируемой среды.

Приведенные параметры могут служить в качестве критериев качества при реализации оптимизационных алгоритмов.

• II.    Разработка аналитической (расчетной) модели устройства, позволяющей определить в процессе эксплуатации (в зависимости от наработки) параметры контактного взаимодействия и напряженно-деформированного состояния элементов устройства, по значениям которых контролируется возможность возникновения напряжений и деформаций, превышающих их предельные значения, а также определяется значение утечки.

• III.    Нахождение зависимости утечки от наработки до выполнения одного из условий:

• -    возникновение отказа (ресурсного или деграда-ционного) по условию превышения напряжениями или деформациями их предельных значений для данного материала или достижения предельного значения утечки;

• -    достижение наработкой назначенного ресурса устройства.

• IV.    Определение по полученной зависимости предельного значения наработки, оценка прогнозируемого ресурса или надежности в пределах назначенного ресурса.

При проведении процедуры оптимизации этапы данной методики повторяются многократно для последующего решения по оптимальной конструкции и (или) оптимальному выбору материалов. Данный подход использован в работе для детального анализа функционирования и условий работы поршневого комбинированного ГУ пневмогидроцилиндра кольцевого типа (рис. 1). Эта конструкция использовалась ранее в работе [6] и содержит уплотнительный элемент в виде кольца из полимерного композиционного материала (ПКМ) на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) с тонкой уплотняющей губкой и силовой элемент в виде резинового кольца, поджимающего губку уплотнительного элемента к уплотняемой поверхности. ГУ разделяет полость, заполненную жидкостью, и полость, заполненную газом. Особенностью условий эксплуатации рассматриваемого пневмогидроцилиндра является наличие рабочих периодов, когда цилиндр совершает возвратнопоступательное движение, и периодов длительного хранения с сохранением эксплуатационных параметров нагружения элементов ГУ. Эффективность конструкции герметизирующего устройства определяется его долговечностью и обеспечиваемой степенью герметичности. Эти характеристики взаимосвязаны и во многом зависят от напряженно-деформированного состояния уплотнительного элемента при контактном взаимодействии и трении. В свою очередь, напряженно-деформированное состояние определяется конструктивным решением и свойствами материалов.

Рис. 1. ГУ пневмогидроцилиндра (а – осевое сечение, б – внешний вид):

1 – уплотнительный элемент (кольцо из ПКМ); 2 – силовой элемент (резиновое кольцо); 3 – направляющее кольцо из ПКМ; 4 – корпус поршня

В данной работе после того, как были заданы конструктивные параметры ГУ, производился выбор ПКМ для изготовления уплотнительного элемента. В качестве предельных значений наработки были выбраны:

• -    наработка до перехода в следующий класс негерметичности;

• -    наработка до достижения критического расхода герметизируемой среды (экспериментально определенного предельно допустимого объема жидкости, перетекшей в газовую полость).

В качестве расчетного метода при создании модели устройства выбран метод конечных элементов, а в качестве программного средства – комплекс ANSYS. Для расчетов использовали осесимметричную модель ГУ. Для силового элемента, выполненного из резины, использовали конечные элементы, для которых реализована функция плотности энергии деформации Муни-Ривлина, ПКМ считали нелинейно-упругим (без остаточных неупругих деформаций), поверхности поршня и цилиндра (контртела) определялись как абсолютно жесткие.

На каждом этапе расчетов, который характеризуется соответствующими значениями давлений разделяемых сред, решали задачу напряженно-деформированного состояния уплотнительного и силового элементов, получали распределение контактного давления по уплотняемой поверхности, выполняли расчет градиента контактного давления на уплотняемой поверхности. Последний фактор, как известно, определяет объем утечек, связанных с формированием жидкостной пленки, разделяющей поверхности уплотнительного элемента и контртела в условиях возвратно-поступательного движения. Заключение о возможности наступления параметрического отказа устройства в ходе эксплуатации производили на основании данных о его техническом состоянии. Верификацию расчетной модели производили на основании сравнения расчетных данных и данных, полученных в ходе стендовых испытаний устройства. Учет формоизменения уплотнительного элемента в процессе трения производили следующим образом: после определенного количества циклов (ходов) возвратнопоступательного движения цилиндра изменяли геометрические параметры уплотнительного элемента в соответствии с результатами расчетов линейного износа (рис. 2), полагая величину износа пропорциональной контактному давлению. Подобный подход использован в работе [4].

Рис. 2. Схема учета формоизменения уплотнительного элемента в процессе трения

Расчет утечек (перетечек жидкости в полость, заполненную газом) проводили как при возвратно-поступательном движении, так и в статическом состоянии цилиндра в процессе хранения при эксплуатационных параметрах нагружения. Для обоснования выбора ПКМ использовались различные физико-механические и триботехнические характеристики материалов [1, 7]. При моделировании использовались материалы с различным сочетанием характеристик физико-механических и триботехнических свойств, в том числе материалы, разработанные под руководством профессора Ю.К. Машкова: Ф4УВ6Г8М2 (84% ПТФЭ, 6% углеродного волокна, 8% скрытокристаллического графита, 2% дисульфида молибдена) и Ф4Г10 (90% ПТФЭ, 10% скрытокристаллического графита, спекание в зажимах с ограничением теплового расширения [8]). Утечки в процессе возвратнопоступательного движения цилиндра относительно поршня рассчитывали по формуле [1]:

Q= 0,5⋅πDL(Ψδ -ψδ)

где D – внутренний диаметр цилиндра; L – длина двойного хода цилиндра; Ψ 1 и Ψ 2 – функции, учитывающие различия в режимах трения, а δ ₁ и δ ₂ – характерные зазоры при прямом и обратном ходе соответственно. δ ₁ и δ ₂ рассчитывали по формулам [1]:

- расчетное значение массового износа уплотнительного элемента меньше значения, полученного в ходе стендовых испытаний, на 20%.

Проведенный с использованием расчетной модели анализ напряженно-деформированного состояния элементов устройства и влияния на него характеристик физико-механических свойств материалов показал следующее. В условиях начального деформирования и воздействия давлений разделяемых сред существенное значение для напряженно-деформированного состояния элементов устройства и параметров контактного взаимодействия имеет модуль Юнга ПКМ. В качестве примера на рис. 3 приведены распределения параметров контактного взаимодействия по уплотняемой поверхности для материала Ф4УВ6Г8М2 в статическом состоянии. В процессе перемещения цилиндра и увеличения давлений разделяемых сред для некоторых ПКМ возможно превышение возникающих в материале напряжений и (или) деформаций их предельных значений.

δ 1

δ 2

= α

µ V ₂

\ ^p 2^'

где р 1 ′ , р 2 ′ - максимальные значения градиентов давления, а V₁ и V₂ – скорости движения цилиндра при прямом и обратном ходе соответственно; µ -динамическая вязкость жидкости; α 1 и α 2 – безразмерные коэффициенты.

Утечки в статическом состоянии рассчитывали по формуле [9]:

Q =Ψ ^B ⋅^{∆ P}R 0

L ′ µ

Z ^{3 ⋅ e}

- 3 p_k kE

где Q – утечки за 1 с; p k – контактное давление на уплотняемой поверхности; Ψ 0 и k – коэффициенты, зависящие от качества обработки поверхности; В – периметр уплотнения; L ′ – ширина поверхности уплотнительного элемента, находящегося в контакте с контртелом; Δ Р – перепад давлений; µ - динамическая вязкость; R z – параметр шероховатости; Е – модуль Юнга для материала уплотнительного элемента.

Результаты исследования. Проведенная верификация расчетной модели при использовании материала уплотнительного элемента Ф4УВ6Г8М2 показала приемлемые для оценочных расчетов результаты:

- расчетное значение объема перетечек жидкости в газовую полость превышает значение, полученное в ходе стендовых испытаний, в среднем на 50% в зависимости от выбора значения произведения коэффициентов Ψ 2 ⋅α 2 из рассчитанного диапазона;

Рис. 3. Распределения параметров контактного

взаимодействия по уплотняемой поверхности для материала Ф4УВ6Г8М2 в статическом состоянии: а – контактное давление, б – градиент контактного давления

Данный результат был получен в том числе, например, для таких материалов как Флубон-20 и НАМИ-ФБМ. Непригодность указанных материалов для изготовления уплотнительного элемента обусловлена низкими значениями предела прочности при растяжении ( σ р ) и относительного удлинения при разрыве ( ε р ), а также в ряде случаев относительно высоким значением коэффициента трения, что приводит к существенным сдвиговым деформациям в зоне контакта уплотнительного

элемента с цилиндром. Расчеты показывают, что в ходе деформирования уплотнительного элемента, выполненного из ПКМ, в нем возникают в зависимости от физико-механических свойств напряжения в среднем до 25-30 МПа и деформации около 0,25. Удельные утечки за 2000 циклов (V), соответствующий класс негерметичности (К1) в соответствии с классификацией [1], массовый износ уплотнительного элемента за 2000 циклов (m), удельные утечки в статическом состоянии (Q) и соответствующий класс негерметичности (К2), определенные по результатам расчетов для некоторых из исследованных материалов, приведены в табл. 1 (данные приводятся для значения вязкости рабочей жидкости, соответствующего температуре t = 20 ° С). Как следует из приведенных в табл. 1 данных, при работе рассматриваемого уплотнения как уплотнения неподвижного соединения (статическое состояние цилиндра) наименьшие утечки Q возникают при использовании материала Ф4Г10, однако данный материал характеризуется наибольшей интенсивностью изнашивания и, как следствие, значительным массовым износом.

Таблица 1. Параметры, характеризующие износ и класс негерметичности устройства

Материал	см3/м2	К1	m, мг	Q∙10-4, мм3/(м∙с)	К2
Криолон-5	0,12	2-2	3,7	1,42	1-1
Ф4УВ6Г8М2	0,21	3-1	7,1	1,31	1-1
Ф4Г10	0,16	2-2	19,5	1,28	1-1

За расчетное количество циклов удельные утечки V принимают наименьшее значение при использовании материала Криолон-5, однако относительно большое значение модуля Юнга данного материала приводит к наибольшим из рассматриваемых материалов утечкам в статическом состоянии. Тем не менее, достаточно высокая степень герметичности в статическом состоянии позволяет рекомендовать именно этот материал для изготовления уплотнительного элемента. Наработка до перехода в следующий класс негерметичности (из класса 2-2 в класс 3-1), сопровождающегося незначительным изменением удельной утечки, для Ф4УВ6Г8М2 составила примерно 800 циклов. Для материалов Криолон-5 и Ф4Г10 класс негерметичности 2-2 сохраняется в течение 2000 циклов. Следует отметить, что ни для одного из рассмотренных материалов не было превышено значение критического расхода герметизируемой среды.

Выводы. Использование методики выбора материала, основывающейся на прогнозировании параметров напряженно-деформированного состояния, контактного взаимодействия и степени герметичности, определяемых с учетом формоизменения элементов герметизирующих устройств в процессе трения, позволило выбрать материал, рекомендуемый к применению в конструкции ГУ. Созданные конечно-элементные модели открыты для изменений и позволяют проводить анализ работы рассмотренных типов герметизирующих устройств.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 12-08-98022-р_сибирь_а