Ресурс подвижных уплотнительных соединений с кольцами круглого сечения
Аннотация
Введение. В настоящее время проблема надежности уплотнительных соединений
гидроприводов остается нерешенной, однако современный уровень развития ин-
струментов компьютерного моделирования позволяет эффективно решать задачи
в области определения их долговечности за счет замены трудоемких экспериментов
высокопроизводительными вычислениями. В данной статье представлены резуль-
таты апробации авторской методики, реализующей численные подходы по опреде-
лению ресурса уплотнительных соединений на базе уплотнителя круглого сечения
гидроусилителя руля тракторов семейства МТЗ.
Материалы и методы. Определение ресурса подвижных уплотнительных соеди-
нений выполнено на основе авторской методики, в рамках которой в программе
ANSYS реализуется серия циклов ускоренного нагружения, моделирующая реаль-
ные условия эксплуатации. Разработанные модели в комплексе учитывают процес-
сы изнашивания, релаксации и гидродинамического воздействия, развивающиеся
в уплотнительном соединении.
Результаты исследования. Применение инструментов конечно-элементного моде-
лирования позволило определить изменение напряженно-деформированного со-
стояния уплотнителя гидроусилителя руля тракторов семейства МТЗ в процессе
эксплуатации. Выявлен механизм восстановления герметичности соединения на
основе эффекта самоуплотнения. Сравнение форм сечений, полученных в резуль-
тате численного и микрометражного исследований, подтверждает эффективность
предложенной методики и адекватность полученных результатов. Анализ полу-
ченных графиков показывает, что при нормальных условиях эксплуатации ресурс
уплотнительного соединения «цилиндр ‒ поршень» и «шток ‒ крышка» составляет
2 и 1,12 года соответственно, а при увеличении температуры и давления гидравли-
ческой жидкости экспоненциально убывает.
Обсуждение и заключение. Результаты работы показывают высокую эффективность
авторской методики и могут быть использованы в исследованиях по определению
ресурса и критериев потери герметичности уплотнительных соединений. Графики
зависимости ресурса уплотнительных соединений от температуры и гидравлическо-
го давления позволяют компаниям, специализирующимся на создании и ремонте
гидроприводов, разработать графики планово-предупредительных мероприятий по
их обслуживанию с учетом комплекса эксплуатационных факторов.
Литература
of the 2016 IEEE 11th Conference on Industrial Electronics and Applications (ICIEA). Hefei, 2016.
P. 2190–2195. DOI: https://doi.org/10.1109/ICIEA.2016.7603952
2. Свиньяков Д. С., Толстухин Г. Н. Прогнозирование надежности работы уплотнений гидро-
цилиндров // Электронный научный журнал. 2016. № 9 (12). С. 149–153. URL: http://co2b.ru/docs/
enj.2016.09.pdf
3. Burenin V. V. New seals for the moving joint of hydraulic power cylinders // Russian Engineering
Research. 2011. Т. 31, № 10. С. 1036–1038. DOI: https://doi.org/10.3103/S1068798X11100042
4. Durability of a polymer composite material and service life of packing elements of contact movable
sealing devices / O. A. Mamaev [et al.] // Journal of Friction and Wear. 2008. Vol. 29, Issue 2. P. 127–132.
DOI: https://doi.org/10.3103/S1068366608020086
5. Буренин В. В. Новые конструкции уплотнений для подвижных соединений силовых гидро-
цилиндров объемного гидропривода строительных машин и механизмов // Механизация строитель-
ства. 2012. № 1. С. 10–14. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=17265461
6. Flitney R. Seals and sealing handbook : 6th edition. Butterworth–Heinemann, 2014. 633 p. DOI:
https://doi.org/10.1016/C2012-0-03302-9
7. Study of effect of seal profile on tribological characteristics of reciprocating hydraulic seals /
S. Bhaumik [et al.] // Tribology in Industry. 2015. Vol. 37, No. 2. P. 264–274. URL: http://www.tribology.rs/
journals/2015/2015-2/15.pdf
8. Sealing performances research on PTFE rotating seal under deep-sea environment / X. Cao [et al.] //
The Open Mechanical Engineering Journal. 2015. Vol. 9. P. 475–482. DOI: https://doi.org/10.2174/1874
155X01509010475
9. Wang C.-S. Qin Y., An Q. Finite element analysis for the rubber O-ring in a mechanical seal //
Journal of East China University of Science and Technology. 2013. Vol. 39, Issue 6. P. 761–767. DOI:
https://doi.org/10.14135/j.cnki.1006-3080.2013.06.012
10. Lu T., Wang W., Chen L. A study of the performance of an O-ring seal with viscoelasticity //
Journal of Beijing University of Chemical Technology (Natural Science Edition). 2014. Issue 6. P. 93–97.
URL: http://caod.oriprobe.com/articles/45360381/A_study_of_the_performance_of_an_O_ring_seal_with_
viscoelasticity.htm
11. Investigation of design parameters and failure criteria of o-ring seal structure / D. Hu [et al.] //
ASME Turbo Expo 2005 : Power for Land, Sea, and Air. Vol. 4. P. 405–412. DOI: https://doi.org/10.1115/
GT2005-68434
12. Yang B., Salant R. F. A numerical model of a reciprocating rod seal with a secondary lip // Tribology
Transactions. 2008. Vol. 51, Issue 2. P. 119–127. DOI: https://doi.org/10.1080/10402000701691746
13. Stupkiewicz S., Marciniszyn A. Elastohydrodynamic lubrication and finite configuration changes
in reciprocating elastomeric seals // Tribology International. 2009. Vol. 42, Issue 5. P. 615–627. DOI:
https://doi.org/10.1016/j.triboint.2008.08.008
14. Aissaoui H., Diany M., Azouz J. Numerical simulation of radial and axial compressed elastomeric
O-ring relaxation / Global Journal of Researches in Engineering. Mechanical and Mechanics Engineering.
2012. Vol. 12, Issue 4. P. 1–5. URL: https://pdfs.semanticscholar.org/5770/527f9483aa521f25d5
979612387b20d8a954.pdf
15. Niu S. Sealing performance analysis of rubber O-ring in static seal based on FEM // International
Journal of Engineering and Advanced Research Technology. 2015. Vol. 1, Issue 2. P. 32–34. URL: https://
www.ijeart.com/download_data/IJEART01118.pdf
16. Diany M., Aissaoui H. Finite element analysis for short term O-ring relaxation // Jordan Journal
of Mechanical and Industrial Engineering. 2011. Vol. 5, № 6. P. 478–482. URL: http://jjmie.hu.edu.jo/files/
v5n6/JJMIE%20-91-10.pdf
17. Zhang G. L., Zeng Z. B. Simulation of sealing performance of elastomeric O-ring gasket
including metal skeleton // Applied Mechanics and Materials. 2014. Vol. 556-562. P. 615–619. DOI:
https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.556-562.615
18. Fluid-solid interaction model for hydraulic reciprocating O-ring seals / C. Liao [et al.] //
Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2013. Vol. 26, Issue 1. P. 85–94. DOI: https://doi.org/10.3901/
CJME.2013.01.085
19. Element analysis and wear longevity calculation of an O-ring in the actuator cylinder of a certain
aircraft landing gear / Y. Yang [et al.] // 2017 Prognostics and System Health Management Conference
(PHM-Harbin). 2017. P. 1–4. DOI: https://doi.org/10.1109/PHM.2017.8079282
20. Wang Z. Predicting wear in radial seals // ANSYS Advantage. 2008. Vol. 2, Issue 1. P. 27. URL:
https://www.ansys.com/-/media/ansys/corporate/resourcelibrary/article/aa-v2-i1-full-version.pdf
21. Service life estimation of liquid silicone rubber seals in polymer electrolyte membrane fuel cell
environment / T. Cui [et al.] // Journal of Power Sources. 2011. Vol. 196, Issue 3. P. 1216–1221. DOI:
https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2010.08.075
22. Lehr D., Furlan W. Seal life prediction and design reliability in downhole tools // SPE Annual
Technical Conference and Exhibition. SPE, 2017. DOI: https://doi.org/10.2118/187133-MS
23. Time-variant reliability analysis for rubber O-ring seal considering both material degradation and
random load / B. Liao [et al.] // Materials. 2017. Vol. 10, Issue 10. P. 1211. DOI: https://doi.org/10.3390/
ma10101211
24. Lijesh K., Muzakkir S. Service life estimation of rubber seals // International Journal of Applied
Engineering Research. 2016. Vol. 11, № 2. P. 980–986. URL: https://docslide.net/documents/service-lifeestimation-
of-rubber-seals-life-estimation-of-rubber-seals-lijesh-kp.html
25. Борисов В. И., Кузнецов В. В., Водяков В. Н. Трибологические свойства полимерных
материалов уплотнителей для гидроцилиндров // Тракторы и сельхозмашины. 2012. № 2. С. 40–43.
URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=17895402
