УДК 621.9.047

В.М. Щипанов, А.В. Кузовкин

ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ГЕРМЕТИЗАЦИИ УЗЛОВ ГИДРОСИСТЕМ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

В статье представлены результаты исследований по выбору материалов для герметизации подвижных узлов гидросистем, находящихся под высоким давлением. Изучена возможность использования таких систем для импульсно-циклической обработки

Ограничения по точности деталей элементов гидросистем, а также качество неразъемных соединений могут быть обеспечены на этапе механической обработки деталей, входящих в отдельные узлы. А герметичность разъемных соединений обеспечивается на этапе сборки гидросистем за счет применения уплотнений специальной конструкции, разработанных специально для условий высокого давления.

В настоящее время наиболее перспективными материалами для уплотнений элементов гидросистем являются полимеры. Выбор конкретного полимера осуществляется исследовательским путем с помощью эластомеров. Схема таких испытаний выглядит следующим образом. На образец действует постоянное напряжение σ=const, a деформация изменяется во времени. Это называют релаксацией деформации. Сама деформация состоит из трех составляющих:

-упругая, распространяется в материале мгновенно;

-пластическая, развивается в соответствии с законом Нью-

тона;

- высокоэластичная, которая может быть описана с применением модели Кельвина-Фогта.

В этой модели, параллельно и жестко соединенны упругий (пружина) и вязкий (демпфер) элементы. При воздействии на модель внешней силы деформация пружины, демпфера и общая одинаковы: ε=εупр=εпл, а напряжение распределяется между упругим и вязким элементами:

σ=σупр+σпл. В начальный момент времени все напряжение воспринимает демпфер, а по мере развития деформации большая часть напряжения переходит на пружину, и при полном нагружении упруго-

57

го элемента процесс деформации прекращается. По закону Гука и Ньютона напряжение упругих и вязких элементов определяется как:

где Е – модуль упругости; η – ав в вязкость материала; t – время.

Тогда общее дифференциальное уравнение развития деформации примет вид:

Преобразование выражения (3) путем введения переменной у=σ/E-ε и его интегрирование в пределах [0; t] дает формулу для определения деформации тела во времени:

где τ – отношение η/Е.

Такой подход позволяет качественно определить характер суммарной деформации в зависимости от природы эластомера, прежде всего от наличия в полимере межмолекулярных химических связей (рис 1). Как для линейного (1), так и для структурированного

(2) эластомера изначально упругая деформация развивается мгновенно (участок ОА). Точка А для обоих образцов является границей развития равновесной высокоэластической деформации (участок АВ). Однако для линейного полимера одновременно с этим проявляется и необратимый процесс течения материала, характеризующийся линейным возрастанием деформации во времени (прямая 3). Поэтому для линейного полимера (участок АВ') суммарная деформация на этом участке оказывается более высокой. Через время t1 в сетчатом структурированном полимере (2) устанавливается равновесная высокоэластическая деформация ε∞, а в линейном (1) продолжается процесс течения.

58

Рис. 1. Зависимость деформации от времени для линейного (1) и сетчатого структурированного (2) эластомеров

Суммарная деформация в любой точке кривой АВ'С' для линейного полимера описывается выражением:

где σ - напряжения в материале; Еупр, Евэ и η - модуль упругости, модуль высокоэластичности и

вязкость данного полимерного материала; τ - время релаксации.

Для полимера сетчатого строения пластическая деформация отсутствует, поэтому

Снятия нагрузки (время t2) приводит к мгновенному исчезновению упругой деформация (CD=C'D'=ОА) и постепенной релаксируеющей до нуля высокоэластичной деформации. Остаточная деформация линейного образца εпл представляет собой пластическую, необратимую, связанную с перемещением макромолекул друг относительно друга. Такие зависимости деформации эластомера от времени получили название кривых ползучести, с помощью которых оценивают соотношение обратимых (упругих и высокоэластических) и необратимых (пластических) деформаций, и определяют время релаксации.

При деформации материала в условиях полной завершенности релаксационных процессов зависимость σ-ε (рис. 2) описывается равновесной кривой (рис. 1, кривая 3).

59

Рис. 2. Векторное изображение составляющих комплексных напряжения (а) и модулей (б) при синусоидальной деформации.

Явление релаксации деформации проявляется в отставании наблюдаемых значений деформации от равновесных при быстром нагружении материала (кривая 1) и в превышении равновесных значений (кривая 2) при снятии нагрузки. Полученная графическая зависимость деформации от напряжения при нагружении и разгружении образца получила название петли механического гистерезиса.

Площадь петли гистерезиса представляет собой разность между удельной работой, затраченной на нагружение образца, и работой, произведенной образцом при снятии нагрузки. Чем больше площадь петли гистерезиса, тем больше энергия рассеивания в образце после снятия нагрузки.

Чем медленнее осуществляется деформация образца, тем ближе располагаются кривые нагружения и разгружения, тем меньше площадь петли гистерезиса. Но если скорость нагружения образца очень велика, элементы структуры полимера не успевают перестраиваться, деформация осуществляется только за счет изменения расстояния между атомами, численное значение такой деформации мало, кривые нагружения и разгружения сближаются. Следовательно, площадь петли гистерезиса мала как при очень малых скоростях приложения силы (деформации близки к равновесному значению), так и при очень больших скоростях нагружения (развивающиеся деформации значительно меньше равновесных).

Аналогично при данной скорости деформации площадь петли гистерезиса минимальна при очень низких (деформации значительно меньше равновесных) и очень высоких (деформации близки к равновесным) температурах. Таким образом, в явлении механического гистерезиса существенным является соотношение скоростей

60

внешнего воздействия и времени релаксации системы и неважно, каким путем достигнуто это соотношение – изменением температуры или скорости воздействия внешней силы, т.е. вновь имеет место проявление принципа температурно-временной эквивалентности.

Нами рассматривается импулсьсно-циклическая ЭХО. Поэтому интересны данные при повторных нагружениях образцов уплотнений. В этом случае форма петли гистерезиса меняется, происходит ее смещение по оси деформаций (так как при втором и последующих циклах кривые нагружения исходят не из начала координат), и площадь петли постепенно становится меньше. Сужение петли механического гистерезиса связано с ускорением релаксационных процессов в полимере в результате его разогрева. По мере повышения температуры гистерезисные потери снижаются, а теплоотдача в окружающую среду возрастает, поэтому через несколько циклов устанавливается равновесие, температура материала стабилизируется, и форма петли гистерезиса остается неизменной.

Практический интерес представляют проявления гистерезиса при динамическом нагружении полимера, когда напряжение изменяется по синусоидальному закону (рис. 2)

где σ и σ0 - среднее и амплитудное значения напряжения;

ω - круговая частота, ω=2πf (f - число колебаний в единицу времени).

Деформация также развивается синусоидально, но с некото-

Полимеры сочетают свойства упругого тела и вязкой жидкости. В процессе эксплуатации полимерных изделий, когда им придана определенная форму, главной составляющей общей деформации является пластическая, т. е. полимер должен проявлять свойства вязкой жидкости, а влияние обратимых деформаций вторично и приводит к некоторым сопутствующим эффектам.

Полимеры различного химического строения, используемые в качестве материала уплотнений, оцениваются приведенной вязко-

стью ηr =η /η0 (η - эффективная вязкость, η0 - наибольшая ньюто-

новская вязкость). Так как η<η0, то чем меньше значение ηr, тем в большей мере поведение полимера отличается от ньютоновского. Сравнение полимеров по значению приведенной вязкости проводит-

61

ся в условиях одинаковой интенсивности механического воздействия. Оказалось, что на зависимость между приведенной вязкостью ηr

и скоростью сдвига γ&r практически не влияет природа полимера (за исключением особых случаев) и температура, и кривая в координатах lg γ&r – lgηr является универсальной температурно-инвариантной

характеристикой реологических свойств полимеров. Высокоэластическая деформация материала уплотнений яв-

ляется причиной увеличения поперечных (разбухание) и уменьшения продольных (усадка) размеров уплотнений, что необходимо учитывать при проектировании гидросистем высокого давления.

При одноосном растяжении полимеров, находящихся в вязкотекучем состоянии, также развиваются процессы течения, получившего название продольного. Многие закономерности сдвигового

ипродольного течения идентичны (энергии активации вязкого течения, влияние молекулярной массы на вязкость и др.), что свидетельствует об одинаковом молекулярном механизме этих процессов.

Для предотвращения необратимого деформирования эластомера, что недопустимо в гидросистемах, необходимо исключить возможность перемещения макромолекул друг относительно друга при сохранении достаточно высокой их гибкости. Это достигается за счет использования полимеров сетчатого строения, которые характеризуются невысокой плотностью цепей сетки (резины). Такие полимеры проявляют высокоэластические свойства в широком темпе-

ратурном интервале (от Тс до температуры термической деструкции).

Свойствами резин могут обладать и линейные полимеры определенного химического строения, при этом невозможность перемещения макромолекул обеспечивается только силами физического взаимодействия. Для сохранения достаточно высокой гибкости цепи эти взаимодействия должны быть локализованы на отдельных участках полимерных молекул. В наибольшей мере такое условие выполняется в блоксополимерах, построенных из блоков гибкоцепного

ижесткоцепного полимеров.

Врезультате проведенных исследований можно предложить следующие выводы:

-Проведенный анализ существующих схем размерной электрохимической обработки показал, что наиболее перспективной при обработке крупногабаритных деталей является схема импульсно-

62