Распечатать

Гидравлика & Пневматика

Прогнозирование надежности работы уплотнений гидроцилиндров

05.02.2015

Источник: ЭрДжиСи-трейд

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"

Гидравлика & Пневматика 24.04.2017 Компания Thomas Magnete GmbH разработала новый «умный» пропорциональный клапан вставного монтажа мод. РРСD08 для регулирования давления. Его основные преимущества — компактные размеры при большой пропускной способности, высокие стабильность и динамика.
Мнение 13.04.2017 Рынок импорта гидравлических компонентов в Россию в 2016 г вырос в стоимостном выражении на 8,5 - 9% по отношению к 2015 году. При этом иностранные производители импортировали в 2016 году готовой продукции на сумму более 310 млн долларов США.
Мнение 11.04.2017 Компания Bosch Rexroth предлагает новую модульную систему управления Rexroth Motion Controls для электрогидравлических осей широкого диапазона мощности, предназначающуюся для самых разнообразных систем- от децентрализованного одноосевого контроллера до сложных многоосевых решений.
Мнение 06.04.2017 Компания Deutsche Messe объявила о слиянии специализированных выставок – ежегодной Industrial Automation и Motion, Drive & Automation, которая до сих пор проводилась на двухгодичной основе. Новая, выставка будет называться IAMD и проводиться в рамках Hannover Messe ежегодно.
Гидравлика & Пневматика 03.04.2017 Гидрораспределители компании Argo-Hytos для станкостроения отличают мощные электромагниты и трех- или пятикамерный дизайн. Для распределителей с условным проходом Dу = 10 мм (расход до 140 л/мин, давление до 350 бар) характерны исключительные значения мощности.
Гидравлика & Пневматика 27.03.2017 Новые быстроразъемные соединения (БРС) мод. FD85 фирмы Eaton широко используются в нефтяной и газовой промышленности, а также в мобильной и промышленной гидравлике, работающей при давлении до 350 бар.
Гидравлика & Пневматика 24.03.2017 Компактный двухконтурный регулируемый аксиально-поршневой насос мод A30VG серии 10 компании Bosch Rexroth полностью совместим с пакетом программных продуктов BODAS для мобильной гидравлики и проверенным стандартным программным обеспечением.
Гидравлика & Пневматика 24.03.2017 Danfoss выпустил орбитальные гидромоторы серий OMP-X и OMR-X с улучшенными техническими характеристиками. В отличие от ранее выпускавшихся моделей OMP/OMR крутящий момент повышен на 15 %, а по сравнению с моделями DH и DS — на 45 %.