книги из ГПНТБ / Вуколов В.М. Детали из пластмасс в пневмогидравлических системах

и пониженной температурах. Испытания по третьему пункту до­ статочно производить при нормальной температуре.

Рассмотрим эксплуатационные возможности применения кап­ рона, фторопласта, эбонита, полиэтилена в качестве уплотни­ теля соединений трубопроводов. Эти материалы выбраны по­ тому, что каждый из них является характерным для определен­ ной группы пластиков и результаты, полученные для них, пока­ зательны для всей группы. Кроме того, данные материалы нашли широкое применение в различного рода промышленной пневмо­ гидравлической арматуре.

Рис. 38. Фланцевое соединение для испытания линз

Анализируя результаты многочисленных экспериментов с этими материалами, мы пришли к следующим результатам.

1.Применение линз из полимерных материалов вполне до­ пустимо.

2.Лучшие результаты показали линзы, изготовленные из капролона.

Как в ниппельном, так и во фланцевом соединениях они выдер­ живают непрерывное статическое давление рабочей среды (400-4- -4-500) ІО5 Н/м2 в различных температурных условиях (220—323 К)

втечение длительного времени. Дали хорошие результаты и ди­ намические испытания (линзы выдержали несколько десятков тысяч циклов, 40% из которых при температуре 320 К). Испыта­ ния капролоновых линз на вибростойкость также прошли удачно. Работа устройства на вибростенде с перегрузкой более 5 g не отразилась на прочностных и герметизирующих свойствах линз.

3.Линзы из фторопласта надежно выдерживают в открытом фланцевом соединении значительно меньшее давление (порядка 100-10® Н/м2), они выходят из строя из-за значительного изме­

87

4—5 мин, после чего происходит разрыв линзы. Следовательно, в качестве материала для линз целесообразно применять полимер типа капрона ифторопласта. Однако полимеры типа фторопластов, имеющие предел прочности при растяжении в четыре-пять раз меньше, чем полимеры типа капрона, не могут использоваться в открытых соединениях. Эти материалы рекомендуется приме­ нять в ниппельном соединении, где накидная гайка армирует уп­ лотнитель (см. рис. 10, б). Эбонит в качестве материала для уплот­ нительных линз, .работающих при высоких давлениях, рекомен­ дован быть не может, так как из-за большой хрупкости не выдер­ живает высоких давлений сколько-нибудь длительное время.

5. Линзы из полипропилена плохо сопротивляются радиаль­ ному давлению рабочей среды. Даже при давлении порядка (50-^100) ІО5 Н/м2 и нормальной температуре в течение первого часа работы на линзах появляются трещины, вызывающие разру­ шение линзы и нарушающие герметичность.

6. Линзы из полиэтилена при нормальной температуре могут показать достаточную надежность в работе, хотя при этом и зна­ чительно изменяют свою внешнюю форму. Однако при повышен­ ных температурах (порядка 323 К) они под действием давления рабочей среды сильно деформируются и не обеспечивают герме­ тичность соединения.

7. Линзы из полиформальдегида, смолы П-68 и поликапро­ лактама показывают очень высокую прочностную стойкость и выдерживают давление рабочей среды до (400-4-500) ІО5 Н/м2 непрерывно в течение 100 ч и кратковременное (до 1 ч) давление порядка 800ІО5 Н/м2. При этом линзы никаких существенных де­ фектов не получили и могут повторно использоваться в соеди­ нениях. Повышенные и пониженные температуры на эти линзы

длительного механического воздействия, рекомендуется использо­ вать линзы из полиформальдегида, капролона, смолы П-68 и поликапролактама.

Для более полной оценки работоспособности выбранного ма­ териала необходимо определить предельное удельное давление на уплотнитель от осевого усилия затяжки. Величина удельного линейного давления определяется по формуле

ЯQy/Гуср) /^ср

88

Величина угла подъема a t средней винтовой линии весьма мала. (Для обычных диаметров в силовых резьбах меньше 0,06). На этом основании параметром а можно пренебречь, и формула (6) примет вид

Были подвергнуты испытаниям линзы из полиэтилена, полифор­ мальдегида, полипропилена, смолы П-68, поликапролактама.

Линзы из всех материалов показали высокую стойкость к осе­ вой внешней нагрузке. Все линзы в условиях отсутствия внутрен­ него давления рабочей среды выдерживали без существенного изменения формы удельные линейные давления до 500-ІО5 Н/м2, что соответствует усилию затягивания гайки при пользовании клю­ чом с нарушением принятых норм эксплуатации, т. е. соответ­ ствует осевому усилию, которое создается на гайке, если затяги­ вают ее ключом с увеличенным в 10 раз плечом приложения силы.

Частота вибрации элементов гидросистемы зависит от жесткости их крепления и соединения, причем она тем выше, чем больше жесткость всей системы. Можно ожидать, что частота колебаний трубопровода, закрепленного на агрегате с металлическими уплот­ нителями, будет больше частоты колебаний той же трубы с пласт­ массовыми уплотнителями. Это обстоятельство вызывает необхо­ димость проверить, как будут реагировать соединения трубопрово­ дов на вибрации, возникающие в гидросистеме при ее работе и транспортировке машин, а также как влияет выбранное соедине­ ние на вибрацию агрегата.

С этой целью необходимо проводить специальные испытания демпфирующих свойств линзовых соединений с количественной оценкой процесса демпфирования.

Линзы должны монтироваться в ниппельных закрытых соеди­ нениях 1 (рис. 39) центральной части трубопровода. Этот уча­ сток трубопровода должен иметь возможность устанавливаться под различными углами к вертикальной плоскости гидропанели, благодаря чему можно менять параметры вибрации. Испытания проводятся два раза: в турбопроводы панесли подается рабочая среда под давлением и без давления. Контроль давления произво­ дится по манометру 3, сброс давления осуществляется с помощью вентиля 2.

89

Исследования по данной методике показали, что капролоновые линзы обладают весьма широкими демпфирующими свойствами. При этом наибольшая величина демпфирования по сравнению с металлическими линзами (для выбранной конструкции) имеет место при меньших частотах (до 30 Гц) и больших углах отклоне­ ния от плоскости вибрации. Это, очевидно, можно объяснить тем, что с увеличением частоты происходит некоторое запазды­ вание по времени отдельных циклов гашения вибрации и наложе­ ние амплитуд двух смежных циклов.

Рис. 39. Ниппельное закрытое соединение для определения демпфирующих свойств линз

На рис. 40 показан график A J A K= f (Ф), где А м— амплитуда испытуемого участка при металлических линзах; А к — то же при линзах из капролона; Ф — частота. Как видно из графика, демпфирующие свойства полимерных линз, находящихся в си­ стемах без давления, значительно выше, чем линз, находящихся под давлением.

Установлено, что относительное демпфирование улучшается

сувеличением угла петли трубопровода к плоскости колебания. Кроме того, при больших абсолютных амплитудах имеется неко­ торый предел демпфирования, который в данном случае численно совпадает с амплитудой колебания вибрации трубопровода, уста­ новленного на металлических линзах с минимальным углом к пло­ скости вибрации. Величина резонансной амплитуды магистралей

сполимерными линзами на 10% меньше, чем с металлическими. Следует учитывать факт наступления резонанса при максимальной'

90

величине вибрации, что, как указывалось выше, является худ­ шим вариантом для работы пластмассовых прокладок. Полимер­ ные линзы, установленные в магистрали, имеющие вибрации 10— 15 Гц, уменьшают амплитуду колебаний системы на 50—60%. Это благоприятно сказывается на работе системы, увеличивая

еепрочностные характеристики.

Впроцессе эксплуатации поли­ мерные линзы испытывают воз­ действие рабочей среды, темпера­ турных условий и механических

нагрузок. Следствием этого явля­

стрального соединения с уплотнительными линзами в условиях длительного хранения и периодически проводимых регламентных работ;

2)работоспособность полимерных уплотнений в чередующихся режимах: хранение, работа, транспортировка;

3)степень набухания уплотнителя в рабочей среде и измене­ ние в этой связи эксплуатационных качеств соединения.

Определение периодичности технического обслуживания соединений в процессе длительного хранения и эксплуатации системы

Этот вид испытаний имитирует ходовые испытания агрегата, длительное хранение на консервации, длительное нахождение в рабочем положении и определяет необходимость технического обслуживания соединений. Первоначальную оценку способности выбранного материала к этому виду рабо^ следует производить на основании данных ускоренных испытаний на релаксационную стойкость уплотнителя при температурах 223 и 323 К с уче­ том разницы коэффициента линейного расширения материала уплотнителя и деталей соединения.

91

Релаксацией называется процесс самопроизвольного изме­ нения во времени напряжения в нагруженной детали. Релакса­ ция в металлах является следствием перехода упругой деформа­ ции материала в пластическую под действием нагрузки. При этом общая деформация остается

постоянной.

В пластмассах релаксация про­

в процессе работы. Поэтому для полимерных линз, применяемых в соединениях в качестве уплот­ няющего материала, очень важно знать процесс протекания релак­ сации и его функциональную зави­ симость от различных факторов. Значение величины релаксации и ее ограничение в ряде случаев являются решающими для обеспе­ чения герметичности соедине­ ния.

Испытания на релаксацию мо­ жно проводить на стенде, кон­ струкция которого показана на рис. 41. В верхней части стенда расположено винтовое нажимное устройство, создающее необходи­ мую нагрузку. Под ним — устрой­ ство со съемными элементами, имитирующими разъемное сое­ динение, что дает возможность производить испытание линз с раз­ личным диаметром проходного отверстия. Фиксация напряжения

влинзах производится динамо­

метром типа ДС-3. В нижней части стенда имеется устройство для подачи давления во внутреннюю полость испытываемого сое­ динения.

Давление контролируется по манометру. Испытания произ­ водятся путем создания определенной величины первоначального затяга и последующих периодических замеров напряжений в уплотнителе как без давления, так и при наличии давления рабочей среды.

Если это приспособление поместить в .холодильную камеру, то можно получить имитацию работы в различных климатиче­ ских условиях.

92

Для ориентации при выборе материала рассмотрим результаты испытаний некоторых пластмасс. В табл. 5 приведены данные по испытанию некоторых линз без подачи рабочей среды, т. е. изме­ нение удельного линейного напряжения во времени. На основании этих таблиц и кривых, построенных по ее параметрам (рис. 42), можно сделать следующие выводы.

Во всех испытанных полимерных линзах независимо от ве­ личины первоначального затяга имеет место процесс релакса-

приложения нагрузки

ции внутреннего напряженного состояния. Он начинается с мо­ мента стабилизации нагрузки вне зависимости от ее первоначаль­ ной величины.

Характер релаксации одинаков для всех испытанных поли­ мерных материалов—крутое падение напряжения в течение корот­ кого времени (около 10 мин), за который первоначальная нагрузка падает на 60—80% общей величины релаксации. Затем идет замедление процесса релаксации. Этот второй этап продолжается при нормальной температуре примерно 1,2— 1,5 ч. Затем релак­ сация еще больше замедляется и примерно через 5 ч от начала процесса для некоторых полимеров практически прекращается, для других уменьшается на 70%.

Первый период релаксации по величине (не по характеру) не­ сколько отличается для различных полимеров. Так,, для смолы П-68 напряжение (кривая II) падает быстрее, чем для капролона (кривая I), и медленнее, чем для поликапролактама (кривая III).

Эти три кривые близки друг к другу и характеризуют полиа­ миды при релаксации напряжения. Изменение напряжения у по­ лиформальдегида в этих же условиях происходит несколько

93

отлично от полиамидов (кривая IV). Такие различия, очевидно, связаны с особенностями структуры молекулярных цепей пласт­ масс, которые при высоких начальных напряжениях ведут себя по-разному. Отличия в процессе релаксации со временем умень­ шаются и указанные материалы на третьем этапе и дальше (рис. 42) меняют напряжейия практически одинаково.

Чем больше первоначальная нагрузка, тем быстрее в началь­ ный момент идет релаксация, так как скорость релаксации зависит от уровня внутренней энергии пластика, создаваемой внешней нагрузкой: чем выше этот уровень, тем быстрее идет процесс релаксации.

Конечная величина внутреннего напряжения линз независимо от материала, первоначального напряжения и размеров линз оказалась практически одинаковой, уменьшившись по сравнению с первоначальной нагрузкой на 10—20%. Это обстоятельство дает основание считать, что при одинаковом конструктив-ном исполнении уплотнения при нормальных температурах и сопоста­ вимых по величине первоначальных нагрузках конечная вели­ чина релаксации определяется конструктивными особенностями соединения, в котором установлена линза.

Следующим этапом были испытания при наличии в соедине­ нии рабочей среды под давлением. Проводились они на той же установке (рис. 41) путем подвода масла АМГ-10 во внутреннюю полость центральной части стенда. Все испытываемые уплотнения выдержали давление рабочей среды (350-ь-400) ІО5 Н/м2 с полной

34

к напряжению, соответствующему началу релаксации. При сня­ тии давления внутреннее напряжение в течение нескольких минут приходило к первоначальному, стабильному положению соответ­ ствующему концу релаксации.

Наконец, необходимо знать, как влияют температурные усло­ вия на релаксацию полимеров. С этой целью при испытаниях

электронагревателем. В результате испытаний было установлено, что пониженная температура значительно уменьшает интенсив­ ность релаксации внутреннего напряжения в уплотнении, осо­ бенно на первом этапе. Повышение температуры оказывает обрат­ ное действие. С повышением температуры интенсивность релакса­ ции значительно увеличивается. Для линз из капролактама ин­ тенсивность релаксации при 323 К в 2,5 раза выше, чем при 223 К применительно к начальному периоду релаксации. Явления, опи­ санные выше, объясняются структурой полимера: повышенные температуры увеличивают пластичность полимера, а следова­ тельно, и скорость релаксации. При теплосменах внутреннее напряжение в полимерных линзах значительно меняется. Прекра­ щение процесса охлаждения соединения увеличивает напряже­ ния в линзе.

Прекращение нагревания снижает напряжение. Это объяс­ няется разницей коэффициента линейного расширения материала линзы и деталей соединения (коэффициент линейного расширения исследуемых пластмасс в 10— 12 раз больше коэффициента линей­ ного расширения стали). Перед началом и после исследования влияниярелаксации на герметичность соединения производится замер наружного и внутреннего диаметров, а также высоты линз. Из анализа результатов исследований определяется способность работать выбранного материала в пределах упругой деформации и даются рекомендации о целесообразности дальнейших испыта­ ний при длительной работе и хранении машин.

После предварительных испытаний, имеющих целью прибли­ жение условий работы и хранения к действительным, гидравли­ ческую панель без давления рабочей среды помещают в закрытое неотапливаемое помещение. Для оценки готовности соединений к работе через каждые 30 сут. нужно проверять их на герметич­ ность при статических, динамических и вибрационных испыта­ ниях. Часть испытаний в зависимости от района, в котором дол­

ности 15, 50 и 100%.

Рассмотрим результаты испытаний капролоновых уплотните­ лей с диаметром проходного сечения до (25-10_3)м . Они вклю­ чили в себя статические испытания (выдержка соединения под

95

давлением рабочей среды 400+5° -ІО5 Н/м2), динамические испы­ тания (проведение 1000 циклов, т. е. подачу рабочей среды под

А = 5 -10-4 м; частота / = 55 Гц). Перед началом испытаний и после них производился замер внешнего диаметра, внутреннего диаметра и высоты, а также веса линз. Для всех партий по этим параметрам быди посчитаны средние значения, В течение испы­ тываемого времени температура окружающего воздуха менялась от 310 до 250 К, влажность также колебалась в пределах 60—

100%.

Испытания показали, что чередование в широких пределах режимов хранения, транспортировки и работы капролоновых линз в ниппельном соединении не влияет на их работоспособность. Длительное хранение при различных температурах приводит лишь к некоторому изменению основных параметров. Так, при переходе температур от 250 до 310 К внешний диаметр увели­ чивается на 25%, а высота— на 1%. Однако на работоспособ­ ности линз это не отразилось. Все они обеспечивали герметичность соединений. Вибрационные воздействия с указанными парамет­ рами также не нарушают герметичности соединения.

При использовании капролонового уплотнителя в открытом фланцевом соединении необходимо предусмотреть регламентные работы по проверке герметичности соединений. Эти работы сле­ дует рекомендовать в том случае, если монтаж соединения про­ ходил при температуре ниже 293 К, а соединение по каким-либо причинам было нагрето до температуры выше 323 К.

Таким образом, из всего сказанного следует, что уплотнитель­ ные линзы из капролона могут быть рекомендованы к применению в магистральных трубопроводах и аппаратуре пневмогидравлических систем, находящихся по условиям эксплуатации про­ должительный период времени на хранении. Причем переход от состояния хранения к состоянию эксплуатации для ниппельного соединения не сопряжен с обязательной дополнительной подго­ товкой. Разумеется, наши рекомендации относятся прежде всего к указанным соединениям трубопроводов, а также определенным уплотнительным материалам. Применение полимерных уплот­ нителей в соединениях другой конструкции требует дополнитель­ ной проверки, применительно к нужной конструкции.

Определение степени набухания выбранного материала в рабочей среде

Как уже отмечалось в гл. И, способность полимеров к набу­ ханию характеризуется степенью набухания., которая выражает количество жидкости, поглощенной полимером, отнесенной к еди­ нице объема или веса полимера. Из этого определения видно, что

96