Скачать статью в pdf.

 УДК 62-762

DOI: 10.15507/0236-2910.028.201804.562-582

Ресурс подвижных уплотнительных соединений с кольцами круглого сечения

Кузнецов Вячеслав Викторович
доцент кафедры механизации переработки сельскохозяйственной продукции ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарёва» (430005, Россия, г. Саранск, ул. Большевистская, д. 68/1), кандидат технических наук, ResearcherID: N-7719-2016, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-0401-0391, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Введение. В настоящее время проблема надежности уплотнительных соединений гидроприводов остается нерешенной, однако современный уровень развития инструментов компьютерного моделирования позволяет эффективно решать задачи в области определения их долговечности за счет замены трудоемких экспериментов высокопроизводительными вычислениями. В данной статье представлены результаты апробации авторской методики, реализующей численные подходы по определению ресурса уплотнительных соединений на базе уплотнителя круглого сечения гидроусилителя руля тракторов семейства МТЗ.
Материалы и методы. Определение ресурса подвижных уплотнительных соединений выполнено на основе авторской методики, в рамках которой в программе ANSYS реализуется серия циклов ускоренного нагружения, моделирующая реальные условия эксплуатации. Разработанные модели в комплексе учитывают процессы изнашивания, релаксации и гидродинамического воздействия, развивающиеся в уплотнительном соединении.
Результаты исследования. Применение инструментов конечно-элементного моделирования позволило определить изменение напряженно-деформированного состояния уплотнителя гидроусилителя руля тракторов семейства МТЗ в процессе эксплуатации. Выявлен механизм восстановления герметичности соединения на основе эффекта самоуплотнения. Сравнение форм сечений, полученных в результате численного и микрометражного исследований, подтверждает эффективность предложенной методики и адекватность полученных результатов. Анализ полученных графиков показывает, что при нормальных условиях эксплуатации ресурс уплотнительного соединения «цилиндр ‒ поршень» и «шток ‒ крышка» составляет 2 и 1,12 года соответственно, а при увеличении температуры и давления гидравлической жидкости экспоненциально убывает.
Обсуждение и заключение. Результаты работы показывают высокую эффективность авторской методики и могут быть использованы в исследованиях по определению ресурса и критериев потери герметичности уплотнительных соединений. Графики зависимости ресурса уплотнительных соединений от температуры и гидравлического давления позволяют компаниям, специализирующимся на создании и ремонте гидроприводов, разработать графики планово-предупредительных мероприятий по их обслуживанию с учетом комплекса эксплуатационных факторов.

Ключевые слова: уплотнитель, уплотнитель круглого сечения, гидропривод, надежность, ресурс, срок службы, износ, релаксация, ANSYS, конечно-элементный анализ

Благодарности: Исследование проведено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и Правительства Республики Мордовия в рамках проекта «Получение и исследование новых композиционных полимерных материалов, содержащих тонкодисперсные и наноразмерные модификаторы, для элементов трибосопряжений машин» (грант №18-48-130007а_р).

Для цитирования: Кузнецов В. В. Ресурс подвижных уплотнительных соединений с кольцами круглого сечения // Вестник Мордовского университета. 2018. Т. 28, № 4. С. 562–582. DOI: https://doi.org/10.15507/0236-2910.028.201804.562-582

Автор прочитал и одобрил окончательный вариант рукописи.

Поступила 12.09.2018; принята к публикации 19.10.2018;
опубликована онлайн 28.12.2018

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Sealing mechanism and failure analysis of actuator reciprocating seal / Y. Zhang [et al.] // Proceedings of the 2016 IEEE 11th Conference on Industrial Electronics and Applications (ICIEA). Hefei, 2016. P. 2190–2195.

2. Свиньяков Д. С., Толстухин Г. Н. Прогнозирование надежности работы уплотнений гидроцилиндров // Электронный научный журнал. 2016. № 9 (12). С. 149–153.

3. Burenin V. V. New seals for the moving joint of hydraulic power cylinders // Russian Engineering Research. 2011. Т. 31, № 10. С. 1036–1038.

4. Durability of a polymer composite material and service life of packing elements of contact movable sealing devices / O. A. Mamaev [et al.] // Journal of Friction and Wear. 2008. Vol. 29, Issue 2. P. 127–132.

5. Буренин В. В. Новые конструкции уплотнений для подвижных соединений силовых гидроцилиндров объемного гидропривода строительных машин и механизмов // Механизация строительства. 2012. № 1. С. 10–14.

6. Flitney R. Seals and sealing handbook : 6^th edition. Butterworth–Heinemann, 2014. 633 p.

7. Study of effect of seal profile on tribological characteristics of reciprocating hydraulic seals / S. Bhaumik [et al.] // Tribology in Industry. 2015. Vol. 37, No. 2. P. 264–274.

8. Sealing performances research on PTFE rotating seal under deep-sea environment / X. Cao [et al.] // The Open Mechanical Engineering Journal. 2015. Vol. 9. P. 475–482.

9. Wang C.-S. Qin Y., An Q. Finite element analysis for the rubber O-ring in a mechanical seal // Journal of East China University of Science and Technology. 2013. Vol. 39, Issue 6. P. 761–767.

10. Lu T., Wang W., Chen L. A study of the performance of an O-ring seal with viscoelasticity // Journal of Beijing University of Chemical Technology (Natural Science Edition). 2014. Issue 6. P. 93–97.

11. Investigation of design parameters and failure criteria of o-ring seal structure / D. Hu [et al.] // ASME Turbo Expo 2005 : Power for Land, Sea, and Air. Vol. 4. P. 405–412.

12. Yang B., Salant R. F. A numerical model of a reciprocating rod seal with a secondary lip // Tribology Transactions. 2008. Vol. 51, Issue 2. P. 119–127.

13. Stupkiewicz S., Marciniszyn A. Elastohydrodynamic lubrication and finite configuration changes in reciprocating elastomeric seals // Tribology International. 2009. Vol. 42, Issue 5. P. 615–627.

14. Aissaoui H., Diany M., Azouz J. Numerical simulation of radial and axial compressed elastomeric O-ring relaxation / Global Journal of Researches in Engineering. Mechanical and Mechanics Engineering. 2012. Vol. 12, Issue 4. P. 1–5.

15. Niu S. Sealing performance analysis of rubber O-ring in static seal based on FEM // International Journal of Engineering and Advanced Research Technology. 2015. Vol. 1, Issue 2. P. 32–34.

16. Diany M., Aissaoui H. Finite element analysis for short term O-ring relaxation // Jordan Journal of Mechanical and Industrial Engineering. 2011. Vol. 5, № 6.
P. 478–482.

17. Zhang G. L., Zeng Z. B. Simulation of sealing performance of elastomeric O-ring gasket including metal skeleton // Applied Mechanics and Materials. 2014.
Vol. 556-562. P. 615–619.

18. Fluid-solid interaction model for hydraulic reciprocating O-ring seals / C. Liao [et al.] // Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2013. Vol. 26, Issue 1. P. 85–94.

19. Element analysis and wear longevity calculation of an O-ring in the actuator cylinder of a certain aircraft landing gear / Y. Yang [et al.] // 2017 Prognostics and System Health Management Conference (PHM-Harbin). 2017. P. 1–4.

20. Wang Z. Predicting wear in radial seals // ANSYS Advantage. 2008. Vol. 2, Issue 1. P. 27.

21. Service life estimation of liquid silicone rubber seals in polymer electrolyte membrane fuel cell environment / T. Cui [et al.] // Journal of Power Sources. 2011. Vol. 196, Issue 3. P. 1216–1221.

22. Lehr D., Furlan W. Seal life prediction and design reliability in downhole tools // SPE Annual Technical Conference and Exhibition. SPE, 2017.

23. Time-variant reliability analysis for rubber O-ring seal considering both material degradation and random load / B. Liao [et al.] // Materials. 2017. Vol. 10, Issue 10. P. 1211.

24. Lijesh K., Muzakkir S. Service life estimation of rubber seals // International Journal of Applied Engineering Research. 2016. Vol. 11, № 2. P. 980–986.

25. Борисов В. И., Кузнецов В. В., Водяков В. Н. Трибологические свойства полимерных материалов уплотнителей для гидроцилиндров // Тракторы и сельхозмашины. 2012. № 2. С. 40–43.

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.