Лекция 8. Деформационная модель герметизатора
Как отмечалось, ни один из используемых в технике материалов не является настолько универсальным, чтобы одинаково успешно заполнять зазоры между контактирующими деталями, уравновешивать при этом перепад давления герметизируемых сред и противостоять воздействию других факторов, имеющих место при эксплуатации уплотнения. Обычно, чтобы соединить эти качества в герметизаторе, комбинируют несколько материалов таким образом, чтобы деформационные характеристики герметизатора зависели от расстояния до плоскости контактирования, т.е. эта задача может быть решена средствами материаловедения с помощью специальных материалов с неоднородным распределением свойств.
В настоящее время материалы и изделия с неоднородными свойствами находят широкое применение в машиностроении, а теория упругости неоднородных тел интенсивно разрабатывается как перспективное направление механики деформируемого твердого тела. С позиций механики оптимальный герметизатор контактных уплотнений относится к типу упругопластичных неоднородных тел с тензорным полем модулей упругости, инварианты которого являются функциями координат рассматриваемой точки. Он представляет собой твердое тело с градиентом деформационно-прочностных характеристик, направленным в сторону увеличения модуля упругости и уменьшения деформации от плоскости контактирования с сопряженной деталью. Моделью такого герметизатора может служить трехслойный элемент, обладающий соответственно свойствами жидкости, вязкоупругой среды и твердого тела. Используя представления о трех составляющих деформации вязкоупругих сред, деформацию такой модели можно записать с помощью реологического уравнения состояния
ε(τ)= ε1 + ε2 + ε3,
где ε1 = στ/η – деформация ньютоновской жидкости (σ – напряжение; τ – время; η – вязкость); ε2 = σЈψ(τ) – замедленная упругая деформация (Ј=1/G – податливость; G – модуль упругости при сдвиге; ψ(τ) – функция замедленной упругости); ε3 = σ/Е – упругая деформация Гука (Е – модуль Юнга).
Оценивая геометрические параметры контактирования такой модели её можно представить в виде абсолютно твердого тела, на поверхности которого расположены соответственно слои упругой среды и жидкости (рис. 25).
При одностороннем сжатии такой модели под действием постоянного напряжения, деформирование такой системы происходит в три стадии, соответствующие элементам модели (рис. 25, в). Экспериментальные данные показывают, что при нагружении контакта напряжением σ<70 МПа величина относительной высоты зазора в контакте m эквивалентна деформации модели герметизатора ε. Поэтому зависимость изображенную на рис. 25, в, можно трансформировать в зависимость представленную на рис. 26, в.
| a) | б) | в) |
Рис. 25. Структура (а), эпюра распределения давления (б) и схема деформирования (в) трехслойной модели герметизатора постоянным напряжением. 1 – сопрягаемая деталь; 2–4 – участки, герметизатора, обладающие соответственно свойствами жидкости, упругой среды и абсолютно твердого тела
Анализ представленных на рис. 26, а зависимостей приводит к выводу о том, что максимальный объем зазора Vmax соответствует соприкосновению наиболее высоких микровыступов (Hmax). Если слой жидкости имеет толщину h, то на поверхности герметизатора при σ0=0 объем зазора уменьшатся до величины Vmax – Vж. Его снижение до величины Vmin произойдет при увеличении нагрузки до σп благодаря деформации упругого слоя толщиной H. Дальнейший рост нагрузки не влияет на величину зазора.
Анализ графиков, изображенных на рис. 26, б, показывает, что предложенная модель (кривая 1) энергетически более выгодна, чем упругий (кривая 2) и пластичный (кривая 3) герметизатор, так как при σi= const,V1 < V2 < V3. C увеличением толщины слоя жидкости (h1 < h2 < h3, рис. 26, в) объем зазора при постоянном нагружении уменьшается: V1 > V2 > V3. При наибольшем h поверхностное натяжение слоя жидкости не должно быть меньше перепада давления в уплотнении. С ростом толщины упругого слоя (H1 < H2 < H3, рис. 26, г) можно реализовать больший диапазон напряжений σ1 < σ2 < σ3 для уменьшения объема зазора.
 |
 |
| а) |
б) |
 |
 |
| в) |
г) |
Рис. 26. Зависимость объема зазора в контакте между шероховатой поверхностью и трехслойной моделью герметизатора и деформационные характеристики моделей от степени деформации герметизатора
Расчет численных значений средней высоты зазора между шероховатой поверхностью и моделью герметизатора для которой уравнение деформации имеет вид
ε = στ/η + σ/Е,
и показывает, что толщина слоя жидкости, обеспечивающая герметичность, составляет 0,1 – 60 мкм в зависимости от шероховатости сопряженной детали. Однако эти расчеты не учитывают условия эксплуатации герметизаторов – износ, тепловой режим и др.
В герметологии традиционно используется идея создания градиента деформационно-прочностных параметров. Со времен средневековья кожаные манжеты пропитывали маслами, лудили металлические пробки кранов, а пенька в сочетании с суриковой краской и по сей день надежнейшее средство герметизации неподвижных соединений. В современной технике одним из лучших герметизирующих материалов считаются пористые бронзы, пропитанные фторопластом, резинометаллические прокладки, чугунные кольца с покрытиями из цветных металлов.
Эта идея реализована в новых материалах на полимерной матрице, снабженной системой пор, которые заполнены жидкостью. Неравномерное распределение пор позволяет создать градиент деформационно-прочностных характеристик герметизатора вблизи контактной поверхности, а регулирование процессов синерезиса – управлять выделением жидкости из полимерной матрицы. В качестве жидкости используют герметики, ферромагнитные коллоиды, ингибиторы коррозии и др. Перспективное направление развития герметизирующих материалов связано с реализацией этой модели и приданием ее компонентам дополнительных функциональных свойств, обеспечивающих надежность герметизации при воздействии трения, перепадов давления и температуры, вибрации и других эксплуатационных факторов.
контрольные вопросы:
1.Какие свойства должен сочетать в себе идеальный материал уплотнения?
2.Какие виды материалов в полной мере отвечают требованиям деформационной модели герметизатора?
3.Какой вид имеет уравнение реологического состояния деформационного герметизатора?