Категории

Конструирование резинотехнических изделий

При конструировании резиновых деталей зачастую не учитываются технические возможности резины.



В результате этого в некоторых конструкциях на резину налагаются чрезвычайно высокие нагрузки и резиновый элемент конструкции помещается в среду с ненормальными температурными условиями. Предпринята попытка первого обобщения и описания некоторых наиболее важных принципов конструирования формовых резиновых деталей, основанная на анализе физических, физико-механических и тепловых свойств резины. Резина характерна тем, что по некоторым физическим свойствам она напоминает твердое тело, по другим – жидкость и даже газ. При действии сил на резину в ней наблюдается обратимая деформация как упругого, так и высокоэластичного типа, а при повышенных температурах появляются вязкотекучие свойства. Резина напоминает жидкость, в частности, тем, что она обладает высокой объемной упругостью (объемный модуль резины к 27200 кгс/см^2) наряду с малой упругостью формы ( модуль сжатия Е=30-80кгс/см^20). По сравнению с величиной линейной деформации объемная сжимаемость настолько мала, что вплоть до 200-300% деформации и даже выше резину можно рассматривать как совершенно не сжимаемое тело, у которого с погрешностью до 0,03% можно принять, что коэффициент Пуассона µ=0,5.



Вышеизложенное позволяет сформулировать первый принцип конструирования резиновых деталей.



1. При конструировании резиновых деталей и узлов, в которых резина работает на сжатие в одном или двух направлениях, следует в конструкции предусмотреть возможность ее расширения в одном или двух других направлениях. Замкнутый в объеме резиновый элемент не может проявить эластических свойств. Жидкие агрессивные среды (смазочные масла) вызывают набухание резины, приводящее к увеличению ее объема. При конструировании деталей машин главным образом уплотнительных узлов, которых резиновый уплотнительный элемент (обычно торообразное резиновое кольцо) помещается в канавку, объем канавки должен быть несколько больше объема кольца, чтобы компенсировать увеличение объема резины, которое происходит при физическом воздействии на нее агрессивной среды. Это достигается выбором надлежащей ширины канавки. Игнорирование этого принципа часто приводит к тому, что кольцо, увеличиваясь в объеме, заклинивает систему, выдавливая зазор между сочлененными металлическими поверхностями узла. Известны случаи, когда набухание резиновых колец в агрессивной среде сопровождается настолько большим увеличением давления на контакте, что деформируется, а иногда и разрушаются уплотняемые металлические цилиндры. Представление о резине как о несжимаемом материале приводит к выводу о том, что под давлением резиновая деталь изменяет форму и стремится заполнить свободный объем и имеющиеся в конструкции зазоры. Поэтому существенным при конструировании узлов, в которых используется резина, является следующий принцип: В узлах уплотнения зазор между сопряженными металлическими деталями, которые уплотняет резина, должен быть тем меньше, чем больше давление среды, под воздействием которой находится узел. Так как резина не сжимаема, резиновая деталь должна обладать тем большей способностью к деформации при данной нагрузке, чем большим числом степеней свободы она обладает. Чем выше образец (при одинаковом поперечном сечении), тем он мягче, то есть способен к большим деформациям при одной и той же нагрузке. При осевом сжатии резина находится в сложном напряженном состоянии, на которое оказывает влияние трение на торцах. Установлено, что если детали, изготовленные из одной резины, имеют одинаковое отношение нагруженной поверхности к свободной (коэффициент формы), то их способность к деформации сжатия также одинаковая. Вышеизложенное позволяет сформулировать следующие принципы конструирования.



2. При конструировании резиновых деталей для работы в условия сжатия следует учитывать зависимость жесткости проектируемого изделия от его формы и размеров. Изделия, предназначенные для работы в условиях сжатия при необходимости достижения одинаковой жесткости, могут быть сконструированы:



а) из одной и той же резины при сохранении одинаковым соотношения нагруженной и свободной поверхностей;



б) из разных резин при разном соотношении нагруженной и свободной поверхностей.



При необходимости конструирование изделий меньшей жесткости может быть произведено следующими способами:



а) за счет размещения в изделии из одной и той же резины серии отверстий, расположенных вдоль (обычно) или поперек действия силы;



б) выбором более мягкой резины.



В случае, если продольная жесткость конструкции должна быть увеличена, а поперечная сохранена неизменной, конструктор может заменить одно изделие несколькими резиновыми элементами, уменьшив высоту каждого из них во столько раз, сколькими элементами заменено изделие, и между ними поместить металлические пластины. Такой набор резино-металлических элементов повысит осевую жесткость изделия во столько раз, во сколько изменится модуль упругости элементов в связи с изменением их коэффициента формы. При конструировании резиновых узлов и деталей и выборе их размеров следует учитывать условия устойчивости деталей под действием осевой нагрузки или давления. Например, рекомендуется, чтобы отношение диаметра к высоте у цилиндрических деталей было менее 0,6^10. При уменьшении этого отношения возникает опасность потери устойчивости при осевой нагрузке. Если требуется применять изделия с большим соотношением диаметра детали к ее высоте, то рекомендуется применять наборы резиновых и металлических пластин. Известно, что нарушение герметичности уплотнительных узлов происходит в результате диффузии или контактного перетекания среды либо в результате потери устойчивости резинового уплотнителя под действием давления. Опыт работы показывает, что резиновая прокладка уплотняет, пока сила трения в контакте больше усилия, создаваемого гидравлическим давлением. В системе уплотнений всегда имеются такие места, в которых поверхностное трение или контактные напряжения несколько меньше, чем в других. Вследствие этого происходит местное нарушение герметичности прокладки и потеря устойчивости. Следовательно, повышение устойчивости, то есть увеличение допустимого давления, может быть достигнуто: уменьшением толщины прокладки; увеличением степени сжатия прокладки или повышением напряжения на контакте; выбором резины с более высоким модулем упругости; увеличением ширины прокладки; увеличением коэффициента трения. Резкое увеличение надежности торцевых и радиальных резиновых уплотнений, а так же значительное расширение предельных значений допустимого гидравлического давления уплотняемой среды достигается применением конструкция узлов, позволяющих ограничивать радиальные или осевые перемещения и деформации уплотнений под действием гидравлических давлений. Это достигается помещением резиновых уплотнений в канавки фланца, штока или цилиндра. В такой конструкции уплотнительного узла при малых давлениях уплотнение достигается за счет контактных напряжений, создаваемых при первоначальном сжатии резинового кольца. При увеличении давления резиновое кольцо соприкасается с ограничителем. В этом положении гидравлическое давление среды передается через резину на все места контакта резины с металлом. Таким образом, напряжение на контакте резина – металл увеличивается пропорционально росту гидравлического давления уплотняемой среды и обеспечивается так называемое самоуплотнение. Описанные вещи конструкции широко используются в гидравлических и пневматических устройствах. Успех их применения при значительных давлениях определяется главным образом величиной зазора между двумя сопрягаемыми металлическими деталями. Чем выше уплотняемое давление среды, тем этот зазор должен быть меньше.



3. В целях создания более надежных и долговечных резиновых деталей машин целесообразно использовать резину при работе на сжатие, а не на растяжение. Опыт конструирования и эксплуатации резиновых деталей показывает, что во многих конструкциях, особенно рассчитанных на работу при низких температурах, удается повысить долговечность резиновых деталей в несколько раз, только используя вышеуказанный принцип. Так, в редукторах, при работе которых герметизация достигается за счет контактных напряжений между металлическим седлом и плоской резиновой прокладкой, только путем введения на поверхности резиновой прокладки (в зоне контакта с седлом) выпуклого пояска, который заставляет резину в зоне седла работать на сжатие вместо растяжения, удалось увеличить число срабатываний клапанов при температуре -55С в 3 раза.



4. Для получения более податливых резиновых силовых элементов и амортизаторов следует разрабатывать такие конструкции деталей, в которых резина работала бы на сдвиг. Для обеспечения большей надежности изделий резиновый элемент обычно конструируется таким образом, чтобы под действием нагрузки он работал на сдвиг и сжатие.



5. При конструировании и расчете резиновых деталей, работающих в условиях многократной деформации, следует иметь ввиду, что отношение динамического к статическому модулю упругости должно быть больше 1. Так как упругость резины отличается резко выраженным релаксационным характером, совершенно ясно, что высокоэластический модуль упругости резины, измеренный при медленных однократных деформациях, не может служить характеристикой, определяющей поведение резины при динамическом многократном нагружении. Проведенными исследованиями установлены динамические модули упругости резины в условиях удара при сжатии и кручении (ударные модули). В основе метода лежит теория распространения упругих волн в стержнях. Установлено, что динамический модуль упругости резины из натурального каучука увеличивается на 28-30% по сравнению со статическим.



6. Конструкция резиновых изделий должна быть рассчитана с учетом зависимости модуля упругости от температуры. Так, например, если принять статический модуль упругости резины 2 при комнатной температуре за единицу, то при температуре0С он будет равен 1,05; при – 20С -1,43, а при -40С-6,7. Еще более резко зависит от температуры динамический модуль упругости. Динамический модуль упругости при частоте 1500цикл/мин для этой резины увеличится в 6,7 раз уже при температуре -20С.



7. При конструировании изделий, работающих в условиях многократных деформаций, следует выбирать такие размеры резинового элемента, чтобы в динамическом режиме не было слишком значительного роста температуры. При периодических многократных деформациях резины, высокоэластическая деформация отстает по фазе от приложенной силы, так как перегруппировка гибких молекул происходит не мгновенно, а во времени. При этом образуется петля гистерезиса. Наличие петли гистерезиса при многократных деформациях в большинстве случаев (за исключением работы амортизаторов в зоне резонанса) играет при эксплуатации отрицательную роль, так как является источником образования тепла в резине и, вследствие малой теплопроводности материала приводит к неравномерному повышению температуры в его массе. При этом резко падает прочность, ускоряются процессы старения, а так же появляются неравномерные термические напряжения. При необходимости применения массивных резиновых изделий, работающих в режиме многократных деформаций, во избежание повышения температуры следует предусмотреть в конструкции резиновых элементов осевые отверстия для уменьшения теплообразования, улучшения теплоотдачи, а также предусмотреть интенсивную систему охлаждения. Опыт эксплуатации массивных резиновых изделий, работающих при многократных деформациях, показывает, что очаг разрушения находится в середине резинового элемента. Введение отверстий в этой зоне изделия резко повышает срок службы деталей.



8. При конструировании резиновых уплотнительных деталей и узлов, в которых рабочим элементом является резина, следует выбирать степени сжатия так, чтобы при изменении контактного давления в процессе эксплуатации и хранения оно не стало ниже критического. Установлено, что для неподвижных уплотнителей минимальное сжатие торообразных колец, изготовленных из резины твердостью 70 по ТМ-2, не должно быть ниже 15%. Очевидно, такое же минимальное сжатие должно быть обеспечено и для уплотнений с возвратно-поступательным перемещением одной из сопряженных деталей. Однако если, кроме условий герметизации, учесть еще и условия трения и износа, то для подвижных уплотнений минимально-допустимое сжатие следует уменьшить. Обычно оно принимается равным 8,5-10%. Такое уменьшение сжатия несколько снижает надежность уплотнения, его срок службы и хранения. Но оно является оптимальным для подвижных уплотнений, так как при повышении минимального сжатия на долговечность уплотнения отрицательно влияет трение и износ.



9. Для снижения скорости падения контактных напряжений при понижении температуры целесообразно использовать самоуплотняющиеся конструкции резиновых уплотнений, в которых резиновый элемент работал бы не на сжатие, а на изгиб. Этот принцип нашел применение при создании V-образных манжет. Температурный интервал их работоспособности (при использовании одной и той же марки резины) на 8-12С шире, чем при работе резины на сжатие, которое имеет место при применении в качестве уплотнений колец круглого т прямоугольного сечения. По значениям коэффициентов термического расширения резины близка к жидкости. Исследованиями установлено, что в интервале температур -70 +85С удельный объем резины линейно зависит от температуры, а значение его зависит от состава резины и типа каучука, примененного для ее изготовления.



Ниже приведены значения коэффициентов объемного расширения некоторых веществ:



Газ . . . . . . . . . . 4.10-3



Сталь . . . . . . . 3.10-3



Алюминий . . . 7,2.10-5



Вода . . . . . . . . . 2.10-4



Стекло . . . . . . . (2,0÷3,6)10-4



Резина . . . . . . . (2÷6,7)10-4



Из этих данных следует, что коэффициент объемного расширения резин равен, а у некоторых резин в 3 раза больше, чем у воды, и в 10-20 раз больше, чем у стали. Такое различие в значениях коэффициентов расширения резины и стали приводит к появлению термических напряжений в резиновом элементе резино-металлического шарнира при его остывании от температуры вулканизации (140-180С) до комнатной температуры (15-25С), а так же к росту напряжений в резине при повышении температуры в процессе ее эксплуатации.



10. Отсюда следует, что при конструировании резино-металлических деталей машин, особенно резино-металлических шарниров, одним из основных должен быть принцип, согласно которому резиновый элемент не должен подвергаться термическим напряжениям при остывании или должен быть максимально от них разгружен. Этот принцип выполняется лишь в том случае, когда удается обеспечить возможность свободной усадки резины при ее остывании от температуры вулканизации до комнатной температуры. В резино-металлических шарнирах, в которых резина находится между концентрично расположенными металлическими цилиндрами и крепится к ним, это достигается заменой наружного цилиндра несколькими секторами. В сварных амортизаторах типа АКСС для устранения трещин, возникавших в результате термических напряжений по контуру мест крепления резины к металлу, сделаны дополнительные резиновые приливы и т. д.



11. Во многих конструкциях удается использовать отрицательные свойства резин для получения положительных решений в работоспособности изделия. Например, при длительном контакте резинового уплотнения накопляются остаточные деформации и уменьшается напряжение на контакте, что снижает долговечность и надежность уплотнения. Это явление часто удается компенсировать набухание резины в рабочих средах, вызывающим увеличение ее объема; и тем самым снижается степень накопления остаточных деформаций и сохраняются контактные напряжения.



12. При конструировании изделий очень важно рациональное размещение материала. Так, например, только нарезка зубьев в клиновидном ремне повышает его долговечность в 2-3 раза. При конструировании резиновых деталей, работающих в режиме динамических нагрузок, следует стремиться к разработке равнонапряженных изделий, то есть таких, у которых напряжения в любых сечениях были бы одинаковы. Резиновая деталь должна конструироваться таким образом, чтобы по возможности избегать резких переходов по толщине. Различия в толщине стенки детали могут привести к неоднородной вулканизации резины и концентрации напряжений, ускоряющих ее разрушение. При конструировании резиновых деталей необходимо, чтобы на стыках поверхностей не было острых углов и резких переходов. В местах, где предусмотрены закругления и плавные переходы, при периодической деформации возникает концентрация напряжений, вызывающая быстрое разрушение детали. Такое явление наблюдается при эксплуатации резиновых деталей, имеющих внутри полость и острые углы. При нагружении таких деталей внутренняя полость изменяет конфигурацию. Вместо прямоугольника в сечении образуется фигура с вытянутыми острыми углами. В этих местах возникают перенапряжения и образуются трещины, которые в дальнейшем служат очагами разрушения и приводят к преждевременному выходу из строя всей детали. Только придав внутренней полости овальную форму, удалось избежать перенапряжения и значительно повысить срок службы детали.



13. При конструировании резино-металлических деталей форма металлической арматуры должна быть выбрана так, чтобы обеспечить равномерное напряжение в местах крепления резины к металлу. Известно, что для улучшения крепления резины к металлу через слой эбонита в металлическом ободе массивных резиновых шин делается “ласточкин хвост”. Вначале, при переводе крепления на клей лейконат или латунь, конструкция арматуры не менялась. Практика показала, что такого рода крепление не надежно, так как в результате местных перенапряжений в углах “ласточкина хвоста” происходит концентрация напряжений и преждевременное разрушение резиновой детали. Только при переходе на новую конструкцию арматуры с выпуклым профилем были получены наилучшие результаты.



14. При конструировании изделий, если применение резины не может полностью обеспечить требований техники, целесообразно применять комбинацию материалов. Так, в резино-пружинных или резино-пневматических амортизаторах резина служит главным образом для демпфирования и как емкость для воздуха, в то время как силовым элементом является металлическая пружина. Если вам помогла данная статья, пожалуйста, оцените ее : )