Разработка оптимальной конструкции и рациональный выбор материала для манжет из композиционного полиуретана в уплотнительных устройствах прокатных станах.

Тодер И.А. Толстых В.А. Захарычев А.Г.

(ОАО АХК «ВНИИМЕТМАШ». г.Москва)

«ВНИИМЕТМАШ» разрабатывает и поставляет уплотнительные устройства для опор валков прокатных станов. Высокие требования к таким уплотнительным устройствам диктуются сложными условиями эксплуатации - они должны обеспечивать эффективную работу в различных средах при скорости прокатки до 100 м/с и температуре среды до 100°С. При этом уплотнения должны обеспечивать возможность относительного перемещения трущихся поверхностей практически во всех направлениях. Наряду с этим конструкция устройства должна быть достаточно простой, удобной для сборки, доступной для ревизии, а также замены. Долговечность деталей устройства должна, как минимум, превышать межремонтный срок агрегата. Исходя из вышеизложенного, были разработаны [1] новые уплотнительные устройства, в основу конструкции которых была взята V-образная манжета, состоящая из корпуса, монтируемого в крышке, эластичной части с рабочей кромкой и соединяющей их перемычки. Созданное торцовое уплотнительное устройство, как показала обширная практика, позволило эффективно удерживать смазку от вытекания из уплотняемого узла, а также предотвращать попадание внутрь подшипника воды и эмульсии, загрязненных окалиной, песком и пр. до двух лет без замены. В разработанной конструкции (рис.1), благодаря выбору геометрии манжеты, обеспечивается дозированная величина упругих сил, прижимающих рабочую кромку к сопряженной поверхности. Эта величина не должна быть избыточной и значительно превышать значений, необходимых для герметизации. При этом геометрия манжеты должна обеспечивать благоприятное расположение рабочей кромки относительно сопряженной поверхности в процессе работы. Эти задачи могут быть решены в процессе исследования, задачей которого является установление зависимости между формой конструктивных элементов и распределением напряжения в них при их деформации в процессе эксплуатации. Сложность конструкции уплотнительной манжеты диктует необходимость использования в этом случае трехмерной задачи теории упругости. Решение этой задачи получено моделированием деформации элементов манжет различных размеров и геометрии с помощью компьютерной программы, которая базировалась на использовании общепринятого метода конечных элементов (МКЭ). Программа позволяет установить наиболее рациональные соотношения между конструкцией составных элементов манжеты, значениями напряжений в них и величиной усилия на рабочую кромку манжеты.

Рис.1. Уплотнение фирмы «ВНИИМЕТМАШ» с торцовыми «V»-образными манжетами

С помощью вышеуказанной программы было выполнено исследование влияния конструктивных факторов уплотнительной манжеты на напряженное состояние различных элементов конструкции, целью которого был выбор рациональной конструкции, обеспечивающей повышение их срока службы благодаря снижению усилия на рабочую кромку, а также выбор наиболее рациональной формы сечения манжеты, обеспечивающей снижение ее веса и, соответственно, стоимости. Такая конструкция манжеты показана на рис.2.

Рис.2. Геометрия сечения V-образной манжеты.

Обозначения: 1 – рабочая кромка, 2 – эластичная часть, 3 - корпус, 4 – перемычка, 5 – подманжетное место.

Эффективность описанных выше уплотнительных устройств в значительной степени определяется выбором материала манжет. От него, во – многом, зависят такие триботехнические характеристики уплотнения, как износостойкость, термостойкость и коэффициент трения. Вместе с этим при заданных требованиях по упругости материал должен обеспечивать такие требования по твердости и износостойкости, которые позволят сохранять форму и расположение уплотняющей кромки манжеты относительно уплотняемой поверхности на достаточно длительный период. Проведенный анализ существующих материалов для манжет, в числе которых рассматривались различные сорта резин, наполненный всевозможными компонентами фторопласт и некоторые эластомеры, показал, что одним из наиболее подходящих материалов для условий работы уплотнительных манжет столь ответственного назначения является полиуретан. Полиуретаны отличает уникальное сочетание хороших физико-механических показателей с высоким сопротивлением истиранию, маслостойкостью и другими специальными свойствами. Кроме того триботехнические свойства полиуретана могут быть значительно улучшены при его наполнении различными компонентами [2,3]. Высокая эластичность полиуретановых эластомеров обусловлена их особой молекулярной структурой, которая имеет вид молекулярных цепей, соединенных через определенные промежутки боковыми цепями, значительно более длинными, чем в других эластомерах. Высокая износостойкость полиуретана объясняется перестройкой структуры его поверхностного слоя, в результате которой молекулярная подвижность цепей в поверхностных слоях превышает объемную. Подвижной структурной сеткой объясняется и способность полиуретана к самозалечиванию дефектов при деформации- этому способствует быстрое установление равновесной структуры, соответствующей деформированному состоянию материала.

Свойства манжет могут быть существенно улучшены введением в полиуретан наполнителей в виде порошков различных цветных металлов [4,5]. При этом, как установлено в этой работе, в зоне трибоконтакта образуются вторичные структуры, способствующие минимизации силы трения, а также повышению износостойкости трущейся пары.

CПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Тодер И.А., Сидоров О.Ф., Толстых В.А. Развитие уплотнительной техники в прокатном оборудовании. «Тяжелое машиностроение» . № 5. 1996 г., с. 22 ¸ 26.

2. Райт П., Каммлинг А. Полиуретановые эластомеры. Л. Химия. 1973. 304 с.

3. Тагер А.А. Физико-химия полимеров. М. Химия. 1968. 536 с.

4. Тодер И.А., Миронов А.Е., Маркова Т.Ф. Синергетические процессы в парах трения с использованием композиционного полиуретана. «Трение и смазка в машинах и механизмах» №1, январь 2007г. стр. 27-30.

5. Курбаткин И.И., Миронов А.Е., Тодер И.А. « Влияние баббитового наполнителя полиуретана на образование вторичных структур в трибоконтакте уплотнительного устройства» «Трение и износ» том 31 №6 стр. 595- 602т. Р. Беларусь, г. Гомель, 2010 г.