Некоторые вопросы применения эластомеров в качестве амортизаторов при сервисном обслуживании технологического оборудования

Динамические нагрузки, возникающие при эксплуатации технологического оборудования [1–6], являются важным фактором, влияющим на его работоспособность в целом.

Наиболее часто для снижения вибрационных и ударных нагрузок используют конструктивные решения, обеспечивающие диссипацию и рассеивание энергии динамически действующих нагрузок – амортизирующие элементы.

В современном технологическом оборудовании широкое применение находят амортизирующие элементы из эластомеров, обладающих рядом важных преимуществ: сравнительно простой конструкцией; дешевизной изготовления; удобством сервисного обслуживания; хорошими демпфирующими свойства; электроизолирующей способностью. _

Амортизирующие элементы работают в динамическом режиме (рис. 1) – в условиях циклического приложения нагрузок с различной частотой и амплитудой.

Рисунок 1 – Режимы эксплуатации амортизирующих элементов

Картину работы демпфирующих элементов из эластомеров в амортизирующих устройствах можно представить следующим образом.

Если нагрузка действует на элементы с малой частотой, основной причиной их повреждения являются усталостные факторы, вызванные циклическим деформированием. Температура при этом на контактирующей поверхности и внутри объема элемента не достигает больших величин. Повреждения обычно проявляются в виде трещин, появляющихся на поверхностях элементов и распространяющиеся перпендикулярно направлению действия нагрузки.

При возрастании частоты действия нагрузки, в качестве основного повреждающего фактора выступает тепловое воздействие, т.к. вследствие повышения температуры на контактирующих поверхностях, начинают преобладать трибохимические процессы разложения эластомеров.

В следствие повышения температуры в поверхностном слое возникают участки с пониженной прочностью, где начинают развиваться трещины, распространяющиеся во внутренние области материала. Чаще всего, они развиваются параллельно поверхности, что приводит к отде- лению поверхностного слоя от основного материала.

При проектировании амортизирующих элементов на основе эластомеров следует учитывать целый ряд факторов: величину сжатия элементов; нагрузку, которую должен передавать элемент; жёсткость поперечного сечения элемента; демпфирование, которое достигается за счёт гистерезиса упругого элемента; тяжелые условия работы (температура, цикличность и др.); ограничения по массе и габаритам.

В настоящее время в качестве конструкционных материалов для амортизирующих элементов находят применение различные типы эластомеров, среди которых можно выделить полиуретан и резину.

Резиновые элементы [7] отличаются хорошими вибропоглащающими свойствами, т.к. способны к большим, достигающим десятков процентов, обратимым деформациям. Разрушение резины под действием повреждающих факторов (механическое нагружение, воздействие озона, солнечная радиация и др.) ограничивается слоями, расположенными близко к поверхности. Для резин, подвергающихся циклическому нагружению, основным показателем, влияющим на работоспособность, является диссипативный разогрев, вследствие которого начинаются окислительные процессы, вызывающие старение резины.

Полиуретановые элементы [8] в сравнении с резиной обладают рядом важных технологических и эксплуатационных преимуществ. Несущая способность изделий из полиуретана с одинаковыми геометрическими параметрами больше, чем резиновых. Они могут эксплуатироваться при диапазоне температур от -40 до +80 °С. Допускается кратковременное увеличение температуры до +110…120 °С. При превышении этих значений начинается процесс старения, который сокращает долговечность полиуретановых элементов.

Из всего многообразия форм амортизирующих элементов [9–11] рассмотрим элементы, имеющие наиболее простую и удобную форму для сервисного обслуживания технологического оборудования – в виде параллелепипеда и цилиндра. В качестве режима приложения нагрузки примем сжатие.

Упругая характеристика амортизирующих элементов из эластомеров зависит от целого ряд параметров, среди которых следует выделить форму элемента и модуль упругости материала.

Влияние формы амортизаторов из эластомеров определяется тем, что при постоянной толщине и площади поперечного сечения элемента, можно, изменяя форму, можно получить различные характеристики упругости. Такое влияние принято оценивать фактором формы, который представляет собой отношение площади опорной

(торцевой) поверхности S к площади боковой

(свободной) поверхности S элемента – Ф = S О /S Б .

Фактор формы для амортизирующих эле- ментов в виде параллелепипеда и цилиндра можно определить соответственно по формулам [9, 12]

ab

Ф, =--------

2 h ( a + b )

(1) и ^Ф - = dr, •

4 h

где a , b – размеры сторон опорной поверхности элемента; h – высота элемента; d – диаметр элемента.

Модуль упругости эластомеров, в отличие от большинства конструктивных материалов, не является постоянной величиной и может меняться под действием различных факторов.

Для эластомеров различают статический модуль упругости E и динамический E , который используют при расчетах амортизирующих элементов. Отношение динамического модуля упругости к статическому E E может меняться в диапазоне от 1,18 до 2,0 и более [9]. Таким образом, можно говорить только о приближенном определи этого соотношения.

Аппроксимировав данные источника [13] получим зависимость для определения соотношения между статическим и динамическим модулями упругости в зависимости от твердости эластомера по Шору

E _н = E _cT[1,1635ln( ShA ) - 2,6965], (3) где ShA – твердость эластомера по Шору.

На величину модуля упругости оказывает влияние вид контактирования торцевых поверхностей амортизирующего элемента с опорными конструкциями, которое можно оценить коэффициентом K . Однако это влияние достаточно незначительное и составляет не более 10%. Так согласно [14] при контакте эластомера со стальными поверхностями: K =1,0 – смазанные торцы; K =1,05 – сухие торцы; K =1,1 – торцы привулканизованы.

При использовании полиуретана допол- нительно можно учитывать изменение твердости (деформативности) при сжатии [14]

K ДФ

L   ShA¹ )

.

Следует заметить, что влияние коэффи- циента K обычно не превышает 15 %.

Таким образом, зависимость для опреде- ления динамического модуля упругости эластомеров можно записать как

E ЭЛ = E СТ K ДН K ТР K ДФ .       (6)

В настоящее время имеется большое число исследований [14–21], описывающих ра- боту и расчет амортизирующих элементов, выполненных из эластомеров. Предложенные под- ходы и математические модели достаточно сложны и не всегда удобны для практического использования в производственных условиях. При сервисном обслуживании технологического оборудования можно предложить использовать упрощенную методику расчета.

При расчете работоспособности амортизирующих элементов будем использовать два критерия – несущую способность, оценивающи- еся нормальными напряжениями при динамическом сжатии <7ДН < [стдн] и относительную деформацию s < [s].

Основой расчёта элементов из эластомеров, работающего на сжатие, можно считать зависимость между сжимающей силой и величиной сжатия элемента (сила–деформация) [9].

Fc = KфEЭл S0^ , (6) h где F – сила сжатия; K – коэффициент изменения жесткости элемента (табл. 1); Ah - сжатие (осевая деформация) элемента.

Относительную деформацию элемента определяется как

A h s = —.

h

Совместно решая выражения (6) и (7) получим формулу для проверочного расчета амор- тизирующего элемента s =

F C

^K Ф ^E ЭЛ ^S О

< [ s ] .

Величину допускаемой относительной деформации можно принимать: [s] =0,15 - при постоянно действующих динамических нагрузках; [s] =0,15^0,20 - при кратковременно дей- ствующих динамических нагрузках.

Важно отметить, что зависимость (13) получена для случая, когда резина привулканизиро-вана к металлической поверхности.

Оценить необходимую площадь опорной поверхности можно найти по зависимости

S„ «  Fc  , nl^ДН ]

где n – число амортизирующих элементов.

Следует заметить, что расчет по зависимости (13) носит приблизительный характер, так как величина допускаемого нормального напряжения при динамическом сжатии [ ^ _н] отличается для различных марок эластомеров. Если данный параметр точно не известен, при расчетах предварительно можно принимать [11, 13]: [ ^ _н] =1,1 МПа - для резины; [ ^ _н ] =2,2 МПа - для полиуретана.

На рис. 2 представлено сравнение вели- чины относительной деформации амортизирую- из резины и полиуретана. щих элементов в форме цилиндра, выполненных

Таблица 1 – Коэффициенты изменения жесткости [9, 13, 22]

Тип эластомера	Коэффициент изменения жесткости при форме элемента
	Параллелепипед	Цилиндр
Резина	K = 1 + Y 2 +    (2 + Y 2) 2  (9) Ф       3   3(4 + Y 1 + Y 2)V’	K ф = 0,667 + 0,5( y 4 )2    (11)
Полиуретан	K ф = 1 + 0,16( Y 3 )1 - 04         (10)	K ф = 0,73 + 0,46( y 4 )2    (12)
Примечание: y = a/h ; Y = bh ; Y = ab 2 h ( a + b ) ; Y = dj 2 h ■