Материалы уплотнений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Материалы уплотнений

В агрегатах автомобилей для уплотнения подвижных и неподвижных соединений наибольшее распространение получили эластомеры, картоны, асбестовые материалы и герметики.

Резины

Эластомеры, получаемые на основе каучуков, называют резинами. В результате вулканизации резиновой смеси термопластичный, липкий и малопрочный каучук превращается в высокоэластичную прочную и стойкую во многих средах резину. термореактивный резина полимер каучук

Резина - термореактивный, пространственно сшитый сетчатый полимер с поперечными химическими связями между макромолекулами каучука. Комплекс механических и химических свойств резин уникален, поэтому они являются незаменимым материалом подавляющего большинства уплотнений и многих технических деталей.

В невулканизированную (сырую) резиновую смесь путем механического смешения вводят ингредиенты: наполнители, вулканизирующие агенты и др. При нагреве сырой резиновой смеси (вулканизации) между макромолекулами каучука возникают поперечные химические связи, а деталь в пресс_форме принимает форму ее рабочей полости. Макромолекулы каучука содержат порядка 10³ звеньев, но лишь незначительная часть из них оказывается «сшитой» между собой - одна поперечная связь приходится примерно на несколько сот звеньев цепи. Если число связей увеличить путем увеличения массы вещества-вулканизатора, то число связей в смеси возрастает, и резина становится менее эластичной вплоть до превращения ее в твердый и хрупкий эбонит.

Пространственная сетка резины нерегулярная, поэтому при деформации детали возникают местные перенапряжения, приводящие к появлению местных первичных очагов разрушения, разрастающихся далее в трещины. Для предотвращения этого явления в резину вводят усилители - твердые мелкодисперсные вещества с большой поверхностью частицы. Чаще всего для этого используют технический углерод - сажу. Усилители значительно повышают прочность при растяжении, твердость, сопротивление износу, снижают удельное содержание дорогого каучука и этим способствуют удешевлению резины.

Набухание резины в жидкостях определяется в основном свойствами каучука, и смесь с большим содержанием наполнителей меньше набухает в рабочих средах. Поэтому в резиновые смеси кроме активных наполнителей вводят инертные вещества (мел, тальк и др.), не влияющие существенно на свойства материала.

Кроме того, в смесь вводят противостарители, пластификаторы, ускорители вулканизации и другие компоненты, улучшающие эксплуатационные и технологические свойства резины (рис. 1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Структура резиновой смеси

Резиновые плоские прокладки используют при давлениях менее 4 МПа, материал выбирают из условия совместимости с рабочей средой.

Каучуки

Каучук является основным компонентом резины, определяющим ее эксплуатационные свойства и, прежде всего, совместимость с рабочими средами, температурный диапазон эксплуатации, прочность.

Каучуки общего назначения: натуральный (НК), и синтетические - бутадиен_стирольный (БСК, СКС), бутадиен_метилстирольный (СКМС), изопреновый (СКИ), натрийбутадиеновый (СКБ), бутадиеновый (СКД).

Каучуки специального назначения, применяемые для производства резиновых технических изделий (РТИ): хлоропреновые (ХП), бутадиен-нитрильные (СКН), этиленпропиленовые (СКЭП, СКЭПТ), фторкаучуки (СКФ), уретановые (СКУ), силоксановые (СКТ, СКТВ, СКТЭ, СКТФТ), бутилкаучук (БК) и др.

Уплотнения изготавливают преимущественно из резин на основе некристаллизующихся каучуков: СКН, СКФ, комбинаций СКН и СКМС, СКН и ХП, СКТФ, ХП и СКЭП.

Нижний температурный предел эксплуатации резины определяется главным образом температурами стеклования (t_C) и хрупкости (t_ХР) каучука, верхний - скоростью термостарения при высоких температурах.

Бутадиен_нитрильные каучуки (СКН) - основной продукт для получения резин с высокой стойкостью в среде нефтепродуктов (бензин, дизельное топливо, смазочные масла), удовлетворительной морозо_ и теплостойкостью. Резины на основе СКН мало набухают в минеральных маслах, топливе, воде и водосодержащих жидкостях. Растворимы в ароматических углеводородах - бензоле, толуоле, этилацетате, хлороформе и поэтому для работы в этих средах непригодны. Чем выше в СКН содержание акрилонитрила, тем выше масло_ и бензостойкость, но ниже морозоустойчивость. Содержание акрилонитрила в процентах указывают в обозначении СКН (физико_механические показатели некоторых групп резин даны в табл. 1).

Таблица 1. Физико-механические показатели резин

Примечание: Е - модуль эластичности при растяжении, _Р - прочность при разрыве, _Р - относительное удлинение при разрыве.

Бутадиен_стирольные (СКС) и бутадиен_метилстирольные (СКМС) каучуки применяют в резинах повышенно морозостойкости и озоностойкости в сочетании с СКН. Содержание стирола существенно влияет на свойства каучука, поэтому его указывают в обозначении. Например, СКС_10 и СКМС_10 содержат 10 % стирола. Чем больше стирола, тем выше прочность и износостойкость, но ниже морозостойкость: для СКС_10 t_СТ= _ 75 ^ОС и _Р = 12_18 МПа, для СКС_30 t_СТ= _ 50 ^ОС и _Р = 20_25 МПа. Резины на основе СКС и СКМС стойки к воздействию воды, спирта, ацетона, но нестойки к воздействию минеральных и растительных масел.

Для уплотнений применяют морозостойкие резины на основе СКН с небольшим содержанием СКМС_10 для повышения морозостойкости.

Хлоропреновый каучук (ХП, другие названия: наирит, неопрен). Температура стеклования t_СТ= _ 40 ^ОС. Резины на основе ХП не обладают достаточной морозостойкостью, однако отличаются высокой свето_ и озоностойкостью, хорошей масло_ и бензостойкостью, стойкостью к кислотам и щелочам, негорючестью. Его добавляют в СКН при изготовлении ряда резин и уплотнений.

Фторкаучуки (СКФ). Полностью насыщенные полимеры, содержащие большое количество полярных атомов фтора. Характеризуются исключительно высокой стойкостью к воздействию сильных окислителей, синтетических масел, топлив, минеральных масел и даже растворителей. Резины на основе СКФ могут длительно работать при высоких температурах: СКФ_32 при 150 ^ОС длительно, при 250 ^ОС - несколько часов. СКФ_26 при 200_250^ОС - длительно, при 300 ^ОС - десятки часов. Основной недостаток резин на основе СКФ - невысокая морозостойкость: для СКФ_26 t_СТ= _ 18 ^ОС, для СКФ_32 - t_СТ= _ 22 ^ОС. Технология изготовления деталей из СКФ очень сложна.

Силоксановые каучуки СКТ, СКТВ, СКТЭ, СКТН. Наполнителями резин служат кремниевые кислоты, двуокись титана, окись цинка и др. Силоксановые резины имеют белый или розовый цвет, отличаются большой плотностью, хотя плотность самого СКТ - около 0,98 г/см³, низкой прочностью (_Р = 2,5_4 МПа), неудовлетворительным сопротивлением истиранию и раздиру, повышенной газопроницаемостью. Их основное преимущество - широкий диапазон рабочих температур (от -60 до +250 ^ОС в воздушной среде), высокая стойкость к тепловому старению (до 250_300 ^ОС), высокая кислородо_, озоно_ и атмосферостойкость, стойкость к действию ультрафиолетовых лучей, хорошие диэлектрические свойства, нетоксичность. Силоксановые резины нестойки в среде нефтепродуктов, кристаллизуются на морозе, распадаются при нагреве более 150 ^ОС без воздуха. В уплотнительной технике применяют резины на основе СКТВ для УН в среде воздуха и воздуха с содержанием озона, резины на основе СКТЭ - в среде кислорода.

Фторсилоксановый каучук СКТФ. По физико-механическим свойствам, термостойкости и морозостойкости близок к СКТ. Отличается от него высокой прочностью (при наполнении кремниевой кислотой _Р достигает 7 МПа), набухание в нефтепродуктах в 8_10 раз меньше. Резины на основе СКТФ применяют для УН и малоподвижных УВ, эксплуатируемых в среде синтетических жидкостей, в интервале температур -55 _ +175 ^ОС.

Акрилатные каучуки (полиакрил) являются основой резин, имеющих высокую стойкость к старению, низкую газопроницаемость, работоспособных в горячих углеводородных маслах при 150_180 ^ОС. Такие резины применяют для изготовления армированных манжет и тепломаслостйких прокладок.

Уретановые каучуки (СКУ) применяют в основном для изготовления износостойких резин ограниченной тепло_ и морозостойкости в обувной промышленности. В последнее время их успешно применяют для УПС силовых цилиндров, предназначенных для тяжелых условий работы.

Резинотканевые материалы

Изготавливают из текстильных материалов, промазанных резиновой смесью. Ткань воспринимает основную нагрузку, резина придает упругость и герметичность. Ткани изготавливают из натуральных (хлопок) или синтетических (лавсан, капрон) волокон. Материалом для шевронных манжет служат хлопчатобумажные ткани «Доместик» или Р_2, пропитанные резиновой смесью. Синтетические ткани обеспечивают большую прочность материала, однако их применение ограничено плохой адгезией к резине. Для повышения адгезии синтетические волокна подвергают специальной обработке - модификации. Прочность связи между слоями резинотканевых материалов уплотнителей должна быть не менее 10 Н/см.

Технологическая схема производства уплотнений включает приготовление заготовок тканей и резиновых смесей, изготовление резинотканевых заготовок, вулканизацию, обработку вулканизированных деталей.

Изменение массы резинотканевых деталей в среде нефтепродуктов больше, чем у резин, и еще больше - в среде воды.

Картон. Бумага, вес которой превышает 250 г/м², называется картоном. Основными составляющими картона являются целлюлоза, древесная масса, полуцеллюлоза, бумажная макулатура, волокна хлопка, пеньки и др. Картон разделяется на тарный, для полиграфического производства, фильтровальный, технический, строительный. Технический картон включает водонепроницаемый, термоизоляционный, прокладочный и другие виды. Картон прокладочный выпускают двух марок: А -- пропитанный проклеивающими веществами, бензостойкий; Б - непропитанный, стойкий к нефтепродуктам. Прокладки для топливных и масляных систем двигателя и других агрегатов, содержащих масла, изготавливают из картона, пропитанного желатиноглицериновыми смесями и касторовым маслом.

Фибра - это твердый монолитный материал, образующийся в результате обработки нескольких слоев бумаги (основы) пергаментирующим реагентом. Различают следующие виды фибры: склеенная, высокопрочная, кислородостойкая, огнестойкая, техническая, электротехническая, поделочная и др. Техническая фибра - это легкоштампуемая прочная фибра с ограниченной водопоглощаемостью, предназначенная для деталей машин и приборов.

Общим недостатком всех бумажных материалов является их относительно невысокая теплостойкость: при температуре выше 130_140 ^ОС они становятся хрупкими и теряют гибкость, при 180 ^ОС начинается обугливание, а при 240_250 ^ОС происходит разложение бумажных волокон.

Асбест - минерал волокнистого строения, на основе которого изготавливают прокладочные материалы. По химическому составу асбестовые минералы являются водными силикатами магния (хризотил_асбест), железа, кальция и натрия. Асбест не горит, обладает хорошими теплоизоляционными свойствами и высокой теплостойкостью. Без существенных изменений своих свойств выдерживает температуру 300 ^ОС. При нагреве свыше 450 ^ОС асбест начинает необратимо терять входящую в его состав воду. Этот процесс заканчивается при 700_800 ^ОС. В результате асбест делается непрочным и легко растирается в порошок, а при 1500 ^ОС асбест плавится. Высокая теплостойкость позволяет использовать асбестовые прокладки при повышенных температурах и давлениях до 5_6 МПа. При использовании в прокладках для головок цилиндров асбест заключают в медную или стальную оболочку (фольгу), чтобы исключить непосредственное соприкосновение с горячими газами. Разрушение этой оболочки приводит к быстрой потере асбестом воды и его разрушению.

Асбостальные листы выпускают пяти марок: ЛА_1, ЛА_1А, ЛА_2, ЛА_3, ЛА_3Б толщиной 1,4_1,75 мм.

Асбестовый картон на основе хризотилового асбеста выпускается следующих марок:

- КАОН_1, КАОН_2 - картон общего назначения;

- КАП - картон асбестовый прокладочный.

- Картон марки КАП применяется в качестве мягкого сердечника в комбинированном уплотнении для стыков:

- «головка блока - блок цилиндров» карбюраторных и дизельных двигателей с максимальным давлением в камерах сгорания до 7 МПа;

- «головка блока - выпускной коллектор» карбюраторных и дизельных двигателей.

Паронит - наиболее универсальный прокладочный материал, изготавливаемый вулканизацией смеси асбеста, каучука и наполнителей (некоторые сорта не вулканизируются).

Листы паронита выпускаются толщиной от 0,4 до 7,5 мм. Выпускаются следующие марки паронита: ПОН и ПОН_1 - паронит общего назначения; ПМБ и ПМБ_1 - паронит маслобензостойкий; ПА - паронит, армированный сеткой; ПЭ - паронит электролизерный; ПК - паронит кислотостойкий. Применимость некоторых марок паронитов приведена в табл. 2.

Таблица 2. Условия применения паронитов

Герметики широко применяются в УН для уплотнения корпусов, баков, резьбовых и фланцевых соединений, которые не предусмотрено разбирать в процессе эксплуатации. В УН, подлежащих периодической разборке (например, для регулирования или замены масла), их применение нецелесообразно, т.к. возникает необходимость удалять остатки герметика и промывать поверхности деталей.

Герметики разделяют на самовулканизирующиеся, высыхающие, невысыхающие и анаэробные.

Принцип действия уплотнений с герметиками основан на заполнении неплотностей между стыками деталей первоначально вязкотекучими составами, нанесенными на соприкасающиеся поверхности. В процессе сборки в промежуточном слое создается давление, под действием которого состав заполняет все неплотности, а его избыток вытесняется наружу.

В самовулканизирующихся герметиках в течение некоторого времени происходит процесс вулканизации при нормальной или повышенной температуре, в результате чего они превращаются в резиноподобные эластичные материалы. Адгезионная способность у герметиков значительно ниже, чем у клеев, поэтому соединение сохраняет способность к разборке.

При некотором давлении возникает предельная деформация стыков, вызывающая разгерметизацию, механизм которой аналогичен механизму разгерметизации уплотнений с прокладками.

Самовулканизирующиеся герметики состоят из двух или трех компонентов, смешиваемых перед употреблением. Основной компонент - один из жидких низкомолекулярных каучуков с ингредиентами, второй - вулканизирующий агент. Совместимость со средой и температурный диапазон эксплуатации обусловлены в основном свойствами каучука, поэтому герметики часто называют по типу каучука: тиоколовые (полисульфидные), силоксановые, фторкаучуковые и т.д. (табл. 3).

Обычный температурный диапазон применения герметиков составляет от -60 до +130 ^ОС.

Тиоколовые герметики наиболее распространены в машиностроении для уплотнений, работающих в среде нефтепродуктов и слабых кислот. Они способны вулканизироваться на воздухе при обычной температуре, образуя маслобензостойкие резины. Их наносят на стальные и алюминиевые поверхности, для меди и латуни они не пригодны. Эти герметики не дефицитны и технологичны.

Фторкаучуковые герметики отличаются высокой термостойкостью и исключительной стойкостью к действию синтетических рабочих жидкостей, топлив, нефтепродуктов и воды. Плохие технологические свойства, большая усадка, длительная вулканизация (до 14 суток) и высокая стоимость ограничивают применения этих герметиков. Чаще всего их используют при ремонте топливных баков.

Невысыхающие герметики (замазки) используют в основном для разъемных соединений (фланцевых, резьбовых). Наибольшее применение получили полиизобутиленовые замазки У_20А, У_22, 51_Г_6, 51_Г_7, предназначенные для эксплуатации на воздухе. Они химически стойки в кислотах и щелочах, но не стойки в топливах и маслах. Температурный диапазон эксплуатации от -50 до +70 ^ОС. Перед нанесением их нагревают до температуры +30…+50 ^ОС.

Таблица 3. Физико-механические свойства некоторых герметиков

Анаэробные герметики (табл. 4) - системы на основе анаэробных смол, полимеризующихся в отсутствии кислорода воздуха. Эти композиции могут длительное время находиться в жидкотекучем состоянии в присутствии кислорода, что позволяет выпускать их готовыми к употреблению и хранить в стеклянной или пластмассовой таре, частично заполненной воздухом.

В узких щелях вследствие отсутствия кислорода происходит полимеризация этих герметиков, т.е. их отвердение. В случае герметизации инертных материалов (кадмированных, оцинкованных, неметаллических) а также для сокращения времени полимеризации используют специальные активаторы. Время отвердения без активатора на стали - 48 ч, то же на алюминии - 74 ч, с активатором на всех металлах при температуре 20 ^ОС - 6 ч, при 80 ^ОС - 1 ч.

После отвердения образуется материал с хорошими механическими свойствами уплотнителя, стойкий к воздействию воды, масел, топлив, кислот, щелочей, хладонов, а также к вибрации при сравнительно большом перепаде давления.

Предел прочности анаэробных герметиков на сдвиг составляет от 3 до 10 МПа, адгезионная прочность - от 2 до 5 МПа. Благодаря малой вязкости в жидком состоянии этот герметик проникает в узкие щели и зазоры резьбовых и фланцевых соединений, в трещины отливок и сварных швов.

В резьбовых соединениях при отвердевании они резко повышают коэффициент трения - от 0,2 до 0,7, обеспечивая надежное стопорение резьбы в условиях вибрации при сохранении демонтажа обычными ключами.

Герметики подбирают по вязкости в зависимости от зазора соединения. Маловязкие 125Р и 125Ц применяют при зазорах до 0,15 мм, герметик 6В - до 0,2 мм, герметики 25В и 25ВС - до 0,25 мм в цилиндрических соединениях и до 0,6 мм в резьбовых.

Таблица 4. Характеристики анаэробных герметиков

Адгезионная прочность герметиков при сдвиге сильно зависит от зазора. Например, для герметика 125Р при зазоре 0,02; 0,2; 0,4 мм соответственно _а = 5,0; 1,3; 0,9 МПа. Для герметика 25В при зазоре 0,02; 0,2; 0,4; 0,6; 1,0 мм соответственно _а = 5,4; 4,4; 3,3; 2,3; 0,4 МПа.

Список литературы

1.Бать М.И и др. Теоретическая механика в примерах и задачах. Учеб. пособ. для вузов. В 2-х т./М.И.Бать, Г.Ю.Джанелидзе, А.С. Кельзон.-9-е изд., перераб. - М.: Наука, 2007.-670 с.

2.Бутенин Н.В. и др. Курс теоретической механики: Учеб.пособие для студ-ов вузов по техн. спец.:В 2-х т./ Н.В.Бутенин, Я.Л.Лунц, Д.Р.Меркин. СПб.:Лань.-5-е изд., испр. 2008.-729 с.

3.Мещерский И.В. Задачи по теоретической механике: Учеб. пособие для студ. вузов, обуч.по техн. спец./И.В.Мещерский; Под ред.В.А.Пальмова,Д.Д.Меркина.-45-е изд., стер.- СПб. и др.: Лань, 2009.-447 с. 2.

4.Тарг С.М. Краткий курс теоретической механики: Учеб. для втузов/С.М.Тарг.-15-е изд., стер. - М.: Высш. шк., 2008.-415 с.

5.Сборник заданий для курсовых работ по теоретической механике: Учеб. пособие для студ.втузов/[А.А. Яблонский, С. С.Норейко,С.А.Вольфсон и др.];Под общ. ред. А. А. Яблонского.- 11-е изд.,стер.-М.:Интеграл- Пресс,2008.-382 с.

6.Тарг С.М. Краткий курс теоретической механики: Учеб. для втузов/С.М.Тарг.-15-е изд.,стер.-М.:Высш.шк.,2007.-415 с.

7.Теоретическая механика. Терминология. Буквенные обозначения величин: Сборник рекомендуемых терминов. Вып. 102. М.: Наука, 2007. - 48с.

8.Яблонский А.А., В.М.Никифорова Курс теоретической механики. Учеб.пособие для вузов: 13-е изд., исправ.-М.: Интеграл-Пресс,2009.-603с.

Размещено на Allbest.ru