Повышение износостойкости и долговечности уплотнений ходовой части гусеничных и колесных машин

зависимости от рабочей высоты для виброизолятора с оболочкой баллонного типа мод. И-02. Кривые построены для различных дополнительных объемов и статических нагрузок. Как видно из графиков, чем больше дополнительный объем, тем больше уменьшение жесткости виброизолятора при снижении его рабочей высоты.

Таким образом, проведенный анализ работы виброизоляторов показал, что конструктивные параметры оказывают существенное влияние на их жесткостные характеристики. Полученные в результате проведенных исследований результаты позволяют существенно снизить жесткостные характеристики пневматических виброизоляторов и тем самым улучшить их виброизолирующие свойства.

Ю. К. МАШКОВ

Омский государственный технический университет

А. Н.ЛЕОНТЬЕВ О. А. МАМАЕВ Г. А. АППИНГ

Омский танковый инженерный институт

УДК:621:62.192.242

Гусеничные и колесные машины различного назначения (транспортные, сельскохозяйственные, лесного и строительного комплексов) эксплуатируются в разнообразных дорожно-климатических условиях, определяющих режимы работы и нагружения деталей и узлов трения ходовой части машин. От надежности и конструктивного совершенства систем подрессоривания, гусеничного движителя и рабочих органов зависят скорость движения машин. Названные системы многоцелевых гусеничных и колесных машин (МГКМ) как правило, содержат опорные и поддерживающие катки, направляющие колеса, гидравлические усилители, амортизаторы и т.п., снабженные соответствующими герметизирующими устройствами с резиновыми уплотняющими элементами.

Особенности эксплуатации МГКМ создают весьма напряженные условия работы для подшипниковых узлов и уплотнений ступиц опорных катков, направляющих колес, а также для направляющих опор и уплотнений штоков гидроамортизаторов. Надежная работа в течение заданного ресурса подшипниковых узлов и направляющих опор в определяющей степени зависит от работоспособности резиновых манжетных уплотнений, защищающих внутренние полости ступиц и гидроамортизаторов от проникновения загрязнений и абразива из окружающей среды и утечек смазывающей и рабочей жидкости из внутренних полос-

Литература

1. Бидерман В.Л., Бухин Б.Л. Расчеты резинокордных пневматических амортизаторов // Расчеты на прочность: Сб. трудов,-М.:Машгиз, 1960.- Вып.5.-С. 15-58.

2. Бидерман В.Л. Механика тонкостенных конструкций,-М.: Машиностроение, 1977.-488с.

3. Бухин Б.Л. Теория тонких сетчатых оболочек вращения: Дис.... д-ра .техн. наук.-М., 1971.-309с.

4. Автомобильные шины // Конструкция, расчет, испытание, эксплуатация/ Под ред. В.Л. Бидермана.-М.: Госхимиздат, 1963.-384 с.

АВЕРЬЯНОВ Геннадий Сергеевич, к.т.н., доцент кафедры "Автоматические установки" ОмГТУ. ЦЫСС Альберт Валерьевич-аспирант кафедры «Основы теории механики и автоматического управления» ОмГТУ.

тей в окружающую среду. Попадание абразива во внутреннюю полость ступицы приводит к неконтролируемому катастрофическому износу подшипников, а утечки рабочей жидкости вызывают потерю демпфирующих свойств гидроамортизаторов и утрату машиной скоростных качеств при передвижении по плохой трассе и пересеченной местности.

Установлено, что в процессе хранения и эксплуатации в условиях значительных переменных нагрузок, скоростей и температур происходит неизбежное старение резины уплотнительных элементов, в результате которого изменяются химический состав, физическое состояние резины, приводящие к существенному снижению механических и триботехнических свойств. Старение является следствием физико-химических процессов диффузионного мас-сопереноса компонентов резиновой смеси, химической деструкции и механического разрушения в результате циклической деформации и трения. Химическая и механическая деструкция резины происходит в течение достаточно длительного времени в несколько лет, а изменения физического характера (релаксация внутренних напряжений, снижение прочности, набухание) происходят относительно быстро в течение нескольких суток.

Названные недостатки резины существенно снижают надежность и долговечность уплотнений ходовой части и

ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ УПЛОТНЕНИЙ ХОДОВОЙ ЧАСТИ ГУСЕНИЧНЫХ И КОЛЕСНЫХ МАШИН

АНАЛИЗИРУЮТСЯ ПРИЧИНЫ НЕДОСТАТОЧНОЙ НАДЕЖНОСТИ УПЛОТНЕНИЙ ХОДОВОЙ ЧАСТИ ТРАНСПОРТНЫХ МАШИН; РАССМАТРИВАЮТСЯ РЕЗУЛЬТАТЫ РАЗРАБОТКИ И ИССЛЕДОВАНИЯ НОВОГО ИЗНОСО-СТОЙКОГО ПОЛИМЕРНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА И КОНСТРУКЦИИ КОМБИНИРОВАННОГО ГЕРМЕТИЗИРУЮЩЕГО УСТРОЙ-СТВА, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЕ ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ ОПОРНЫХ КАТКОВ, НАПРАВЛЯЮЩИХ КОЛЕС И ГИДРОАМОРТИЗАТОРОВ ХОДОВОЙ ЧАСТИ.

не позволяют обеспечить заданные требования к надежности герметизирующих устройств гусеничных и колесных машин. Повышение работоспособности уплотнений возможно путем применения новых материалов, свободных от вышеназванных недостатков резины, и разработки более совершенной конструкции герметизирующих устройств с учетом эксплуатационных свойств материала уплотняющих элементов.

Анализ физико-химических и механических свойств полимеров различных классов показал, что отрицательное влияние процессов старения можно существенно уменьшить, применив мягкие пластмассы вместо резины. Среди пластмасс, нашедших применение в узлах трения: полиэтилен, полиамиды, полиимиды, поликарбонат, политетрафторэтилен (ПТФЭ), последний обладает самой высокой химической стойкостью, невысокой жесткостью и лучшими антифрикционными свойствами. Наряду с этим, ПТФЭ сохраняет работоспособность и не охрупчивается при низких и криогенных температурах. В то же время известно, что чистый ПТФЭ имеет низкие механические свойства, значительную хладотекучесть и низкую износостойкость. Для устранения этих недостатков создают композиционные материалы (ПКМ) на основе ПТФЭ, вводя в его состав различные наполнители - модификаторы.

В настоящее время разработано большое число ПКМ с достаточно высокими механическими и триботехнически-ми свойствами [1,2], но для работы в составе герметизирующих устройств МГКМ требовалось создание специального материала с невысокой жесткостью при сохранении высокой износостойкости. Поэтому для уплотнительных элементов ГУ разработан новый ПКМ на основе ПТФЭ. В отличие от ПКМ, разработанного ранее для уплотняющих элементов пневморессоры подвески ходовой части боевой машины десанта [3], в состав ПКМ наряду с ультрадисперсным скрытокристаллическим графитом (СКГ) дополнительно с целью повышения износостойкости ПКМ введено измельченное углеродное волокно (УВ). Это вызвано значительно более высокими скоростями скольжения и необходимостью более эффективного отвода теплоты из зоны трения. Количество и соотношение вводимых компонентов определяли по результатам оптимизационных исследований с выполнением испытаний образцов ПКМ на машине трения 2070 СМТ-1 по плану факторного эксперимента. Наряду с параметром оптимизации У1- скорости изнашивания, изучали влияние содержания УВ (варьируемый фактор Х1) и СКГ (варьируемый фактор Х2) на параметры ограничения: условного предела текучести при сжатии -У2, модуля упругости при сжатии -УЗ. Были получены следующие уравнения регрессии:

У1 = (19,5-1,68X1-1,38X2) 10"4, г/ч;

У2 =41,5+1,5X1 +0,8X2, МПа;

У2 = 195,7+18,4X1, МПа.

Из анализа уравнений регрессии следует, что износостойкость ПКМ повышается при увеличении содержания УВ и СКГ, при этом эффективность от увеличения содержания УВ выше в 1,2 раза. Предел текучести и модуль упругости повышаются главным образом при введении углеродного волокна. С целью определения оптимального содержания наполнителей проведены оптимизационные исследования методом движения по градиенту (крутое восхождение). Установлено, что максимальная износостойкость - минимальное значение параметра оптимизации находится в области 4-5 масс.% УВ и 7-8 масс.% СКГ

Методом рентгенострукгурного анализа установлено, что физической основой повышения характеристик механических и триботехнических свойств ПКМ является структурная модификация полимерной основы ПКМ. Введение наполнителей вызывает изменение структурно-фазового состояния и параметров надмолекулярной структуры ПТФЭ. В зависимости от вида наполнителя и его количества увеличиваются или уменьшаются степень кристалличности, среднее межслоевое расстояние в аморфной

фазе, а также параметр С кристаллической ячейки и ее объем. Анализ экспериментальных данных по влиянию различных наполнителей на фазовое состояние и параметры надмолекулярной структуры показал, что при модифицировании комплексным наполнителем (дисперсный и волокнистый компоненты) реализуется механизм структурной модификации, отличный от механизмов модификации сднокомпонентными модификаторами. Результаты рен-тгеноструктурного анализа позволяют высказать предположение о развитии процессов структурной самоорганизации в многокомпонентной системе в условиях термообработки при нагреве спрессованной композиционной смеси выше температуры плавления кристаллической фазы ПТФЭ и последующего медленного охлаждения согласно режимам технологического процесса получения заготовок изделий из ПКМ. Результатом кооперативного самосогласованного развития адсорбционно-ориентационных процессов самоупорядочения является формирование аморфно-кристаллической надмолекулярной структуры с уменьшенным размеров кристаллитов - усредненное значение 52,5 нм, что на 18% меньше среднего размера кристаллитов чистого и модифицированного углеродным волокном ПТФЭ. Особенности структурно-фазовой организации надмолекулярной структуры ПТФЭ, модифицированного дисперсным и волокнистым наполнителем и влияние процесса трения создают условия для проявления синергетичес-ких эффектов самоорганизации структуры, отличающихся повышенной износостойкостью.

С целью эффективного использования улучшенных свойств разработанного ПКМ и повышения работоспособности и долговечности ГУ разработаны конструкции герметизирующих устройств для опорных катков и гидроамортизаторов ходовой части. Для успешного решения этой задачи необходимо было правильно учесть особенности механизмов герметизации, трения и изнашивания в ме-таллополимерной трибосистеме «уплотняемая поверхность металлического контртела (ось, шток) - уплотняющий элемент из полимерного материала». Механизм герметизации для обеспечения герметичности соединения, уплотняемого материалом с жесткостью на уровне жесткости разработанного ПКМ, предусматривает необходимость начального контактного давления Рко не менее 0,1 МПа для заполнения микронеровностей металлического контртела.

В разработанных конструкциях герметизирующих устройств начальное контактное давление создается за счет деформации резиновых эспандеров —силовых элементов. Конструкция герметизирующего устройства оси опорного катка приведена на рис.1, где силовые элементы показаны в рабочем деформированном состоянии. Для расчета величины Рко и получения зависимостей его от величины деформации и температуры использовали уравнения, полученные в работе [4] при решении задачи напряженно-деформированного состояния силового и уплотняющего элементов в термоулругом приближении с учетом влияния конструктивных параметров, механических свойств элементов и температуры. Полученные расчетные зависимости показывают, что повышение температуры на 60°С от 90°С до 150°С вызывает увеличение рабочего контактного давления 1,2 МПа на 30% и способствует повышению степени герметичности уплотнения.

Работоспособность и ресурс разработанного устройства проверяли и оценивали комплексом лабораторных и эксплуатационных испытаний. На первом этапе проводили ускоренные испытания уплотнений при различных скоростях скольжения уплотняющей поверхности манжеты: 1,0; 1,5; 2,0 м/с, соответствующих скоростям движения машины от 25 до 50 км/ч, продолжительность каждого испытания составляла 50 ч или 1250-2500 км пробега машины. Величину износа манжет оценивали по потере массы манжет в процессе испытаний через каждые 5 ч работы. Полученные кинетические зависимости массового износа

манжет (рис.2) показывают, что первые10-15 ч. характеризуются повешенным износом и скоростью изнашивания, а затем устанавливается стационарный режим трения и изнашивания с примерно одинаковой скоростью изнашивания. При этом увеличение скорости скольжения вызывает увеличение износа и повышение скорости изнашивания.

Рис.1. Конструктивная схема комбинированного герметизирующего устройства: 1 - уплотнительный элемент; 2 -уплотнительнал губка; 3 - эспандер; 4 - кольцо жесткости; 5 -крышка; 6 - второе уплотнительное кольцо; 7 - корпус ГУ; В -компенсаторы.

Дш„х10ч, Г 08

:

V

02 о

, ч

Рис. 2. Кинетические зависимости износа манжет при скоростях скольжения: 1 -1,0 м/с; 2-1,5 м/с; 3 - 2,0 м/с.

Экспериментальные значения скорости изнашивания манжет позволяют определить продолжительность работы уплотнения до момента предельно допустимого износа, который устанавливается исходя из условия обеспечения заданного контактного давления и герметичности уплотнения. В разработанной конструкции допустимый радиальный износ манжет составляет 0.6 мм, что соответствует массовому износу 0,03г. Имея экспериментальные данные о скорости изнашивания манжет, можно прогнозировать, что предельный износ будет получен при пробеге машины 16500 км.

Второй этап испытаний ГУ проводили на стенде-имитаторе с целью проверки работоспособности устройства

при работе в условиях, близких к условиям эксплуатации. Испытания проводили в течение 200 ч при погруженной в загрязненную воду ступице и скорости скольжения манжет 1,0 м/с, что соответствует пробегу машины 5000 км. Анализ состояния рабочих поверхностей манжет показал, что они имеют нормальную приработку, находятся в хорошем состоянии и пригодны к дальнейшим испытаниям. Манжеты обеспечили герметичность внутренней полости, наличие абразива в ней не обнаружено.

Таким образом проведенный комплекс испытаний показал, что разработанная конструкция герметизирующего устройства обладает достаточно высокой работоспособностью в эксплуатационных условиях, и достигнутая износостойкость манжет позволяют прогнозировать значительное повышение надежности и долговечности уплотнений ходовой части.

Рассмотренная конструкция рекомендуется в качестве герметизирующего устройства для уплотнения осей и валов различных машин и технологического оборудования при его производстве и ремонте. Она отличается простой конструкции и легко размещается в корпусах и крышках вместо типовых резиновых манжет. Взаимозаменяемость с серийными резиновыми уплотнителями обеспечивает ремонтопригодность конструкции, а применение полимерного композиционного материала вместо резиновых манжет и колец позволяет существенно увеличить срок службы уплотнений и за счет этого получить значительный экономический эффект.

Литература

1. Машков Ю. К. Трибология конструкционных материалов. -Омск: изд-во ОмГТУ, 1996. -304с.

2. Цеев H.A., Козелкин ВВ., Гуров A.A. Материалы узлов сухого трения, работающих в вакууме: Справочник. - М: Машиностроение, 1991. - 192с.

3 Структура и свойства политетрафторэтилена, модифицированного природным скрьггокристаллическим графитом / Машков Ю.К., Гладенко A.A., Калистратова Л.Ф. и др. //Трение и износ. Т.21, №1,2000. -С.47-51.

4. Мерзляков A.A., Машков Ю.К. Термоупругое напряженно-деформированное состояние комбинированного уплотнения типа кольцо-кольцо //Трение и износ. Т. 17, №5, 1996.-С.-616-620.

МАШКОВ Юрий Константинович - д.т.н , профессор кафедры "Материаловедение и технология конструкционных материалов";

ЛЕОНТЬЕВ Анатолий Николаевич - генерал-майор, к.т.н., начальник Омского танкового инженерного института"; МАМАЕВ Олег Алексеевич-полковник, к.т.н , начальник кафедры технологии производства БТВТ; АППИНГ Гарий Анатольевич - начальник отделения лаборатории кафедры технологии производства.

г