Реферат: Фізичні основи механічних торцевих ущільнень

, (1)

а сила нормального тиску Р=p_c S_c , де S_c - площа контакту, - дотична напруга, р_{с -} средній контактний тиск. У результаті

( 2)

Таблиця 3

Рисунок 3 - Крива Штрібека

У міру збільшення зовнішнього навантаження Р та відповідно контактного тиску зазор зменшується настільки, що між окремими виступами шорсткості виникає контакт та порушується суцільність масляного шару (ділянка ІІ кривої Штрібека, що відповідає змішаному змащенню). Характерні співвідношення між середнім зазором та параметром шорсткості такі: . Коефіцієнт тертя в основному визначається в'язкістю мастила, але частково вже виявляється його залежність від антифрикційних властивостей матеріалів пари тертя.

При подальшому збільшенні навантаження та зближенні контактних пар ) деякі об'єми мастила зберігаються лише в западинах, а решта поверхні покрита адсорбованою плівкою, товщина якої становить декілька молекулярних шарів Коефіцієнт тертя в режимі граничного змащення (ділянка ІІІ ) визначається антифрикційними властивостями матеріалів та фізико-хімічною структурою адсорбованих плівок мастила. Граничне тертя - найхарактерніший режим тертя механічних торцевих ущільнень. При цьому ущільнення зберігають високу герметичність: видимі витоки або взагалі відсутні (встигають випаруватися), або спостерігаються лише краплинні витоки.

При сухому терті (ділянка IV кривої Штрібека) мастило відсутнє, тому адсорбована плівка руйнується без відновлення. Між нерівностями шорстких поверхонь, що труться, відбуваються періодичні дотики, що супроводжуються пластичними деформаціями із значним підвищенням місцевого тиску та температур, що у результаті призводить до втомного руйнування поверхонь тертя. Крім того, посилюється молекулярний зв'язок (адгезія) між тілами, що труться, який може приводити до заїдання та схоплювання. Сухе тертя зустрічається рідко, зокрема, коли ущільнюється вакуум.

Між розглянутими режимами тертя немає чітких меж, оскільки процес тертя визначається випадковими чинниками та має випадковий характер, так само, як і процес зношування поверхонь, що труться.

1.4 Зношування пар тертя

Зношування - процес поступової зміни розмірів тіла при терті, що виявляється у відділенні з поверхні тертя матеріалу та (або) його залишкової деформації (ГОСТ 16429-70). Знос - результат процесу зношування, його кількісний вираз. В якості показників зношування використовують: лінійний знос U - висоту зношеного шару матеріалу (ресурс вузла тертя визначається гранично допустимим лінійним зносом), мкм ; інтенсивність зношування і = U/L - відношення лінійного зносу до шляху, на якому відбувалося зношування; швидкість зношування - відношення лінійного зносу до часу зношування, мкм/год . Процес зношування правильно підібраних пар тертя має, як правило, три стадії (рис.4): І - стадія мікроприпрацювання, протягом якої відбувається зміна початкової, технологічної шорсткості в рівноважну експлуатаційну, відповідну даним умовам тертя та зношування і яка має здатність самовідтворюватися у процесі тертя. Залежно від умов параметри початкової шорсткості на стадії мікроприпрацювання можуть як зменшуватися, так і збільшуватися. Чим ближче початкова шорсткість до рівноважної, тим коротше стадія припрацювання. При терті заздалегідь деформованих або неточно встановлених (з перекосом) поверхонь існує також період мікроприпрацювання, протягом якого зношування приводить до зміни номінальної площі контакту поверхонь тертя.

Рисунок 4 - Залежність показника зношування від часу

Друга стадія (ІІ ) - стадія нормального, сталого зносу: , . У багатьох випадках спостерігається стадія катастрофічного зносу (ІІІ ) - стадія інтенсивного наростання швидкості зношування, обумовленого несприятливою зміною зовнішніх чинників або зміною умов тертя через досягнення гранично допустимого зносу.

Сталий режим зношування при характерному для торцевих ущільнень граничному терті якнайповніше описується розробленою І.В. Крагельським [5, 6] молекулярно-механічною (адгезійно-деформаційною) теорією тертя і втомного зношування. Відповідно до цих теорій тертя обумовлене, з одного боку, деформацією матеріалу, який проник нерівностями (пружне або пластичне відтиснення), з іншого - подоланням молекулярних (адгезійних) зв'язків у зоні контакту. В результаті повторно багаторазових деформацій у процесі тертя, пов'язаних як з механічним відтисненням, так і з безперервним утворенням та руйнуванням фрикційних зв'язків у деформованих мікрооб'ємах поверхневого шару накопичуються дефекти, що приводять до втомного руйнування. Для зменшення інтенсивності зношування дуже важливо, щоб відшаровування матеріалу через деформації зсуву локалізувалися в тонкому поверхневому шарі та не захоплювали увесь мікрооб'єм, що деформується. Це можливо за умови, що на поверхні тертя є ослаблений шар з малим зсувним опором . Ця умова формулюється як універсальне правило позитивного градієнта [5]: , тобто зсувний опір повинен зростати в напрямку нормалі п до поверхні тертя (нормаль спрямована в глиб матеріалу).

На підставі викладених уявлень про процеси тертя та зношування запропоновані розрахункові формули для оцінки показників зношування, що містять ряд коефіцієнтів, які повинні визначатися експериментально для конкретних матеріалів та умов тертя. У монографіях Є. Майєра [1], А.І. Голубєва [4], Л.А. Кондакова [7] зібраний великий експериментальний матеріал щодо тертя та зносу торцевих ущільнень, що дозволяє орієнтовно прогнозувати довговічність ущільнень на стадії їх проектування.

Основним чинником, що визначає знос, є контактний тиск, який, у свою чергу, залежить не тільки від конструктивних та експлуатаційних параметрів, але і від ряду внутрішніх процесів, супутніх роботі ущільнення. Зокрема, значний вплив на процеси в парі тертя можуть робити силові та температурні деформації, які визначаються геометричною формою ущільнювальних кілець, потужністю втрат на тертя та умовами тепловідведення.

Таким чином, торцеві ущільнення є динамічною системою, спрощена структурна схема якої (рис.5) дає уявлення про зв'язки та взаємодію основних елементів системи, про характер їх передавальних функцій, про зовнішні дії та виходи системи. У той же час із структурної схеми видно задачі розрахунку, які зводяться до визначення передавальних функцій елементів та оцінки реакції (виходу) системи на зовнішні дії. Як вихід можна використати ресурс Т_р ущільнення або лінійний знос U торцевих контактних поверхонь.

Рисунок 5 - Структурна схема торцевого ущільнення

Через складність процесів термогідропружності, тертя та зношування більшість передавальних функцій елементів системи не піддається достатньо точному визначенню. Тому розрахунок доводиться обмежувати приблизними оцінками та порівнянням знову проектованих ущільнень з перевіреними в експлуатації аналогами. У викладеній нижче методиці порядок розрахунку взятий відповідно до нумерації передавальних функцій структурної схеми (рис.5).