Прогнозирование надежности работы уплотнений гидроцилиндров

Проблема прогнозирования надежности работы уплотнений является актуальной, т. к. ее решение позволяет определить пути повышения срока их службы и сокращения ремонтных издержек. Прогнозирование относится к вероятностным величинам, в то же время как присутствует и постоянная составляющая. Все проблемы в рамках данной статьи изложить трудно, поэтому остановимся только на некоторых.

Общие рекомендации по выбору уплотнений (давление, скорость, температура, типовые рекомендации по применению) приводятся в каталогах у всех производителей, в том числе и в каталоге компании "ЭрДжиСи-трейд".

Данные рекомендации являются общими и служат для ориентации разработчиков цилиндров в первом приближении. Следует отметить, что гидравлические уплотнения RGC изготавливаются из самых современных антифрикционных полимерных и композиционных материалов.

Тесное сотрудничество с российскими научно-исследовательскими институтами, изучение опыта ведущих мировых производителей, постоянный мониторинг работоспособности уплотнений и регулярная модернизация производства позволяют нам непрерывно совершенствовать нашу продукцию. Уплотнения и направляющие кольца разработаны для использования в российском климате и учитывают многие специфические условия производства и эксплуатации гидроцилиндров в России.

Говоря в целом, чтобы получить максимальный эффект и срок службы, необходимо учитывать конкретные условия работы машины и механизма с гидроцилиндром, поэтому необходима интерактивная работа конструктора машины и изготовителя уплотнений.

Если посмотреть на типовое ТЗ на разработку гидроцилиндра, увидим, что приводимых данных недостаточно для качественной проработки и определения всех нагрузок, действующих на цилиндр. При этом только при их знании можно определить усилия, действующие на направляющие кольца поршня и штока, прогибы деталей цилиндра, в том числе в зоне уплотнений.

В сборнике трудов Братского университета (БрГТУ) публикуется цикл статей, посвященный определению прогибов длинноходовых цилиндров с использованием дифференциальных уравнений упругой линии балки, к примеру [1], в которых также в основном рассматриваются продольные силы. Однако исключение из рассмотрения поперечных усилий справедливо только для тихоходных механизмов. Большинство же мобильных машин имеют достаточно быстроходные исполнительные механизмы.

Уплотнение штока

В большинстве мобильных машин гидроцилиндр является звеном шарнирно-рычажного исполнительного механизма, приводящего в движение рабочий орган. Проблемам расчета таких механизмов в известном справочнике по машиностроительному гидроприводу посвящена отдельная глава, в которой сформулированы проблемы такого рода расчетов [2].

Необходимо отметить, что в теории механизмов и машин (ТММ) данные механизмы рассматривают как механизмы с внутренними входами (на поршне) в отличие от традиционных механизмов, когда ведущее звено непосредственно связано с неподвижной стойкой [3]. В принципе поршневой гидроцилиндр представляет собой разновидность кулисного механизма, в котором кулисный камень (поршень) жестко соединен с коромыслом (штоком).

Рис. 1. Схема нагрузок на опорно-направляющие кольца гидроцилиндра

В настоящее время в машиностроительном проектировании широко применяются компьютерные пакеты 3D-моделирования (CAD) и инженерного анализа и симуляции (CAE). Для виртуального моделирования динамики сложных машин и механизмов наиболее функциональный программный комплекс – это Adams от MSC Software. Соответствующие модули с меньшим функционалом имеют (в основном реализующие принципы кинетостатики), например, SolidWorks, Autodesk и др. И, пожалуй, самый бюджетный – это отечественный "Универсальный механизм". В группе компаний РГ, в компании RGC-trade для разработки цилиндров и уплотнений приобретены лицензии на рабочие места с ПО Autodesk Inventor. Это позволяет создать цифровую модель механизма, которая затем передается в модуль симуляции движения и определения динамических реакций в шарнирах проушин крышек цилиндра Rv и Rh (рис. 1).

Здесь L0 и L1 – конструктивные параметры цилиндра – расстояние от середины поршня до центра проушины штока и расстояние от крайнего положения поршня до опорного кольца буксы соответственно. S(t) – текущий ход поршня.

Не будем приводить достаточно простые преобразования, после которых получим нагрузки на опорные кольца:

F1 = (Rv L0) / (L1 - S(t));
F2 = F1 - Rv.

Одной из самых сложных проблем при моделировании работы уплотнений гидроцилиндров являются гидродинамические явления в гермоконтакте. Оттолщины масляной пленки зависит износ уплотнений и, соответственно, их ресурс.

Общая функциональная зависимость толщины масляной пленки имеет вид [4]:

Здесь (dp/dx)max – максимальный градиент возрастания давления перед уплотнением; μ – динамическая вязкость рабочей жидкости; U – скорость скольжения уплотнения. Точка перехода к трению со смазкой в осях "коэффициент трения – безразмерная величина G" определяется по выражению:

Здесь b – ширина площадки контакта; р – среднее контактное давление; Rz – высотный показатель шероховатости Поверхности.

Это лишь общие зависимости, а для прогнозирования работы уплотнений необходимо учесть и смоделировать такие сложные физические явления течения жидкости, как турбулентность и кавитация. Турбулентность будет возникать при обтекании микронеровностей, а кавитация – при схлопывании пузырьков воздуха, попадающего при скольжении уплотнения по микронеровностям.

Необходимо отметить, что эти физические процессы еще недостаточно изучены и в настоящее время имеются их эмпирические или полуэмпирические модели. Интенсивное изучение этих физических явлений продолжается, в том числе фундаментальной наукой. В известном пакете CAE анализа ANSYS имеется 21 модель турбулентности. При использовании имеющихся моделей для прогнозирования надежности работы уплотнений они должны быть идентифицированы применительно к специфике работы гермоконтактов уплотнений. Известно, что одним из основных показателей в гидроаэроакустике служит число, или параметр Рейнольдса, который определяется соотношениями:

Здесь DГ – гидравлический диаметр, м; ρ – плотность гидрожидкости, кг/м3; υ – скорость течения, м/с; η – динамическая вязкость гидрожидкости, Н с/м2; υ – кинематическая вязкость гидрожидкости, м2/с, (υ = η /ρ).

Учитывая, что для кольцевого канала, который мы имеем для пленки гидрожидкости уплотнений, динамический диаметр равен разнице наружного и внутреннего диаметров (DГ = D - d), а из-за очень малой толщины пленки d ≈ D, то DГ → 0 и Re → 0. Имеем очень малые числа Рейнольдса (из Википедии).

Кроме этого на характер течения жидкости оказывает влияние пристенный приграничный слой, толщина которогов обычных течениях составляет порядка 1% от поперечного сечения потока.

Список литературы:

1. Кобзов и др. Варианты расчета продольного прогиба гидроцилиндра. Сборник БрГТУ, Системы. Методы. Технологии.

2. Машиностроительный гидропривод./Л.А. Кондаков, Г.А. Никитин, В.Н. Прокофьев и др. Под ред. В.Н. Прокофьева. М., Машиностроение, 1978. 495 с., ил.

3. Теория механизмов и машин: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений /М.З. Коловский, А.Н. Евграфов, Ю.А. Ceмёнов, А.В. Слоущ. М.: Издательский центр "Академия", 2006. 560 с., ил.

4. PACKINGS HYDRAULIC SEALING SYSTEMS_NOK CORPORATION_ Cat. No. 040E -11-2011

5. Гарбарук А.В. Моделирование турбулентности в расчетах сложных течений: учебное пособие / А.В. Гарбарук, М.Х. Стрелец, М.Л. Шур – СПб: Изд-во Политехн. унта, 2012. – 88 с., ил.

6. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя: Перев. с немецкого, "Наука", Москва, 1974. – 712 с., ил.

Г.А. Смирнов,
главный технический специалист
ООО "ЭрДжиСи-трейд"

Фото и материалы предоставлены ООО "ЭрДжиСи-трейд"