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

107

следовало ожидать наибольшего по величине набухания за корот­ кий срок. Проведенные исследования это полностью подтвер­ дили. Процесс закончился через 78 сут, причем предел набуха­ ния капролона составил 5,75, а поликапролактама — 8,43%. Интенсивность набухания этих сходных по своим свойствам поли­ меров была практически одинакова. Если предел набухания взять за единицу, то за первый день произошло набухание для капролона на 0,13, а поликапролактама на 0,18%. По прошествии половины срока набухания эти цифры соответственно составляли 0,83 и 0,91%. Разницу в абсолютной величине набухания, очевидно, следует объяснить различной величиной полярности полимеров.

Третий полимер из этой группы — смола П-68 резко отли­ чается по величине предела насыщения, который был достигнут как и у первых двух полимеров на 78 сут, но по величине соста­ влял всего 1,57%. Следовательно, смола П-68 является менее по­ лярным полимером, чем капрон и поликапролактам. Это подтвер­ ждается и при анализе предела набухания указанных полимеров в масле АМГ-10; поскольку данный случай соответствовал набуха­ нию полярных полимеров в неполярной жидкости, эксперимент подтвердил значительное уменьшение предельного насыщения этих полимеров. По истечении 175 сут предельное насыщение поли­ капролактама было в девять раз меньше, чем насыщение водой; капролона— в семь раз; смолы П-68 — три раза.

Таким образом, на основании проведенных работ можно сде­ лать следующие выводы:

1)полимеры, имеющие наибольшую перспективу применения

вгидросистемах, работающих под высоким давлением, подвер­ жены набуханию в рабочих жидкостях; при этом набухание в масле АМГ-10 значительно меньше, чем в воде;

2)высокие давления благоприятно влияют на работу поли­ меров, препятствуя их насыщению;

3)с точки зрения насыщения при работе в масляной среде целесообразно применять наиболее полярный полимер.

Конструирование уплотнений для соединения трубопроводов

После выбора материала по параметрам совместимости его с рабочей средой и условиями работы в машине необходимо пе­ рейти к конструированию соединения. Конструкция линзового уплотнителя должна в значительной степени соответствовать ГОСТ 10493—63 на стальные линзы.

Особое внимание следует уделять толщине прокладки. Иссле­ дования показали, что для соединения трубопроводов с проход­ ным сечением до 6 -10-2 м толщину прокладки необходимо выби­ рать таким образом, чтобы ширина кромки линзы по наружному диаметру не превышала (2 -н 3) ІО-3 м. Только в этом случае линза устойчива в соединении при высоких давлениях, ибо устой­

108

чивость уплотнителя при этом будет определяться не столько физико-механическими свойствами материала, сколько прочностью соединения ниппель—гайка—штуцер.

Конструкция уплотняющих поверхностей ниппеля и штуцера выбирается также исходя из устойчивости линзы в соединении. Большое значение имеет соотношение углов наклона уплотняющих поверхностей ниппеля и шту­ цера. Угол необходимо выбрать таким образом, чтобы он ка­ сался сферы линзового уплот­

нителя по диаметру DK(рис. 49).

лотняющего конуса следует соз­ дать таким, чтобы при заворачивании накидной гайки соединения

без давления в магистрали полимерный уплотнитель был устойчив к сжимающим усилиям, т. е. прокладка не должна выдавли­ ваться конусами внутрь соединения. Экспериментальные изуче­ ния этого вопроса показали, что для прокладок из капролона, поликапролактама, смолы П-68, полиформальдегида этот угол

длительной эксплуатации, особенно при температуре 323—333 К. В этом случае для обеспечения эксплуатационной надежности необходимо прибегнуть к армирующей защите по внутреннему диаметру уплотнителя (рис. 51).

Для линзовых уплотнителей из поликапролактама, капролона, смолы П-68, полиформальдегида, работающих при давлениях больше 500-106 Н/м2, а также для линзовых уплотнителей из фторопласта, работающих при рабочих давлениях больше 200 X

109

Заслуживают особого внимания соединения с полимерными уплотнителями, применение которых по конструктивным сообра­ жениям требуется для уменьшения амплитуды колебания трубо­ проводов при вибрациях систем. Практика показывает, что для использования демпфирующего эффекта полимерных уплотнителей необходимо во всех соединениях соблюдать следующее условие: кольцевой зазор а (рис. 50, 51) между внутренним наименьшимдиаметром накидной гайки и ниппелем должен быть 0,6 ■10~3 м для

проходное сечение трубопровода и соединения Dy, а также тол­ щина стенки трубопровода и материала уплотнителя;

2) расчетный диаметр проходного сечения и толщина стенки

=(6-ц60)10-3 м можно рекомендовать зависимость D = (2,5-±l,5)Dy;

4)выбранный наружный диаметр D уточняется по таблице типоразмеров резьб согласно ГОСТ 9150—59; на основании этой таблицы наружный диаметр уплотнителя уточняется таким обра­ зом, чтобы он был меньше на (1-±2)-10~3 м внутреннего диаметрарезьбы накидной гайки соединения;

5)определяется диаметр касания конуса ниппеля с уплотняю­

щей сферой линзы DK = (D + Dy)/2;

6) с учетом DKи угла уплотняющего конуса ниппеля и штуцера, построением определяется радиус сферы линзового уплотнителя.

В процессе исследований были найдены эффективные с точки, зрения прочности размеры линзовых уплотнителей из капролона,

идругих полимеров.

Втабл. 8 приведены размеры уплотнителей, прошедших все­ сторонние испытания в течение нескольких лет.

ПО

Уплотнение резьбовых соединений

Новой ступенью расширения диапазона применения полимеров, при высоких давлениях явилось внедрение герметиков и пленок в качестве уплотнителей в резьбовых соединениях, работающих при давлении сжатого воздуха (350ч-400) ІО5 Н/м2. Во многих отраслях промышленности для хранения и транспортировки сжа­ того газа при этих давлениях используют двухгорловые баллоны (рис. 52). Вентиль, заглушка и отверстие в баллоне имеют кони­ ческую резьбу с профилем резьбы по ГОСТ 6357—52. Установка вентилей и заглушек на баллоне производится с использованием:

свинцового глета (ГОСТ 5539—50), вполне обеспечивающего гер­ метичность резьбового соединения, но имеющего ряд других: существенных недостатков.

Во-первых, как показали исследования, значительное коли­ чество свинцового глета при установке вентиля проходит внутрь баллона. В результате этого мелкие частицы свинцового глета вместе с воздухом попадают на зеркало электронного при­ бора ДД-1, который служит для определения влажности сжатого воздуха. Последнее обстоятельство явилось причиной неправиль­ ного показания прибором степени влажности сжатого воздуха. Попытки удалить частицы свинцового глета из собранного бал­ лона путем продувки последнего воздухом положительных ре­ зультатов, как правило, не дают. Во-вторых, при проведении технического освидетельствования баллонов демонтаж вентилей и пробок связан с большими трудностями и часто приводит к пол­ ному выводу из строя пробок или частичной поломке дорогостоя­ щих специальных вентилей.

В связи с этим понятен интерес, который проявляет промыш­ ленность к выбору нового уплотняющего материала, свободного^ от недостатков, имеющих место при применении свинцового глета. Из многочисленных уплотнителей, применяющихся в настоящее время, наиболее приемлемы герметики УЗОМЭС-5 и У30МЭС-10 (МРТУ 38-5-6039—65), герметик УТ-32 (МРТУ 6-07-103—63)'

илента из фторопластового материала ФУМ (МРТУ 6-М870—62).

Втабл. 9 приведены физико-механические свойства указанных,

герметиков (температурные пределы 210—400.К).

11Ё

Лента из ФУМа обладает анизотропией, т. е. высокой проч­ ностью при растяжении в продольном направлении и незначи­ тельной в поперечном направлении, работает при температуре от 210 до 420 К, изготавливается толщиной (0,08-Л),12) 10~ 3 м и шириной (0,01; 0,015 и 0,02) 10_3 м. Внешний вид ФУМа — тон­ кая эластичная лента белого цвета.

Рис. 53. Приспособление для испытаний уплотнителей резьбовых соединений

При .подборе материала для уплотнения конической резьбы необходимо проводить испытания, имитирующие конкретные усло­ вия работы при давлении, равном (1,25-г-1,5) Ррзб. Испытания рекомендуется проводить в приспособлении, показанном на рис. 53. Приспособление состоит из цилиндра 3 и двух съемных крышек 1, стягиваемых болтами 2. Уплотнение между цилиндрами и крышками можно обеспечить кольцами 4 из технической резины или прокладками из поликапролактама (соединение шип — паз).

;112

В центре съемных крышек изготавливаются конические отверстия

срезьбой под хвостовик баллонного вентиля. В оба отверстия ввин­ чивается вентиль и к одному из них подсоединяется образцовый манометр. Через второй вентиль в устройство подается воздух под давлением (1,25-4-1,5) Драб от батареи из нескольких бал­ лонов.

На рис. 54 показана схема испытательного стенда, на котором проводились испытания указанных выше материалов при Рраб — = 350-ІО5 Н/м2. Система устройства со съемными крышками дает

Рис. 54. Схема испытательного стенда:

1 — манометр высокого давления; 2 — вентиль; 3 — приспосо­ бление; 4, 5 — вентили; 6 — фильтр; 7 — баллоны высокого давления

возможность визуально наблюдать поведение уплотнителя при ввинчивании вентиля, а также контролировать состояние поверх­ ности цилиндра в процессе испытания. Воздух подается из бал­ лонов 7 через фильтр 6 открыванием вентиля 4 при закрытом вен­ тиле 5. Контроль давления осуществляется по манометру 1. Стравливание воздуха из приспособления производится через вентиль 5 с предварительным закрытием вентилей на баллонах 7. После наполнения приспособления воздухом вентиль 4 и вентили на баллонах закрываются. С помощью вентиля 5 воздух из маги­ страли сбрасывает в атмосферу. Наполненное сжатым воздухом приспособление длительное время можно хранить в условиях экс­ плуатации.

Проверка возможной утечки газа производится по мано­ метру, а также при помощи смазывания мыльным раствором мест возможной утечки или погружения отсоединенного от магистрали приспособления в ванну с водой.

Для определения надежности резьбового соединения, уплот­ няемого вышеуказанными герметиками и лентой ФУМа, была

многократно проверена герметичность соединения в приспособ­ лении при одновременном воздействии вибрационных нагрузок

идавлении рабочей среды. Испытания проводились на вибростенде

срежимом вибраций, установленным по нормам тяжелого транс­ портного машинострения, и показали, что эти соединения остаются герметичными при вибрациях и при циклических нагрузках давлением до (350ч-400) ІО5 Н/м2. Материал также сохраняет свои качества уплотнителя и при резкой смене температуры от

223 до 323 К.

Установка арматуры на ФУМе не требует высокой квалифика­ ции. Развинчивание соединений производится легко и зависит от толщины ленты и качества слоев намотки. Например, для уплотне­ ния конусной резьбы 14 ниток на один дюйм с профилем резьбы по ГОСТ 6357—52 можно рекомендовать ФУМ толщиной 0,08-10_3 и шириной 15-10"3 м. Перед установкой арматуры с уплотнением лентой ФУМ необходимо тщательно очистить от грязи и ржавчины их резьбу, после этого промыть бензином. На­ мотку ленты на резьбу вентиля или заглушки необходимо осу­ ществлять от начала по ходу резьбы таким образом, чтобы после­ дующий виток частично (на 30—40%) перекрывал предыдущий конец ленты. С целью исключения на ленте ФУМ появления морщин и складок, которые при ввертывании заглушки сворачиваются и приводят к разуплотнению соединения, намотку ленты произво­ дят с натягом. Для облегчения намотки ленты на резьбу жела­ тельно наматывать ленту с рулона, а рулон прижимать к резь­ бовой детали и передвигать ее по окружности.

Герметики УЗОМЭС-5 и УТ-32 являются веществами пасто­ образной консистенции, обладающими способностью вулкани­ зироваться при комнатной температуре при добавке вулканизи­ рующих и ускоряющих агентов. Они обладают хорошими уплот­ нительными свойствами и адгезией к металлу, но требуют опре­ деленных условий для затвердения. Процесс затвердения для та­ ких материалов при нормальных условиях очень длителен. Так, герметик УТ-32 для полного затвердения при температуре 293 К требует 7— 10 сут. Таким образом, если имеются условия для пол­ ного затвердения герметика, его можно использовать для уплот­ нения конической резьбы при давлении 350-ІО5 Н/м2. Высокая надежность, а также химическая стойкость ФУМа и герметиков к рабочей среде позволяет широко использовать соединение ко­ нической резьбой с полимерным уплотнителем в различных от­ раслях промышленности.

§ 13. Применение пластмасс в узлах трения

При конструировании и испытании направляющих втулок для различных по назначению силовых цилиндров выяснилось, что наиболее приемлемыми материалами для замены бронзовых втулок являются полиамиды. В связи с отсутствием в литературе

114

сведений о применении полиамидов для направляющих втулок при изучении вопроса можно пользоваться данными по пластмассовым подшипникам, работающим в условиях, близких к рассматривае­ мым. При этом необходимо отметить, что при трении полиамидов по стали отсутствует явление схватывания, присущее металли­ ческим парам трения. Это исключает образование наростов на поверхностях трения, которые являются причиной износа метал­ лических трущихся поверхностей.

Не менее важна специфика условий работы силовых цилинд­ ров. Долговечность узла трения зависит прежде всего от изно­ состойкости антифрикционного материала. Полиамиды имеют очень хорошую износоустойчивость; в различных условиях абра­ зивного трения они изнашиваются значительно меньше, чем ме­ таллы и другие неметаллические материалы. При использовании полимерных материалов в подшипниках скольжения практически отсутствует износ сопряженных с полимером металлических дета­ лей. Обязательным условием для малого износа полиамидных антифрикционных деталей, работающих в паре с металлом, яв­ ляется высокая чистота сопрягаемой металлической поверхности. Легче всего это достигается применением закаляемой стали, кото­ рая обязательно должна быть защищена от коррозии. Установ­ лено, что чем чище металлическая поверхность, тем меньше износ пластических масс при работе с этими поверхностями. Изно­ состойкость пластмассовых подшипников значительно выше, чем бронзовых [47]. Долговечность полимерных вкладышей и втулок в 10 раз больше, чем металлических, что сокращает время ремонта.

Для металлических трущихся пар одним из факторов, оцени­ вающих антифрикционные свойства, является прирабатываемость. Этому фактору придается большое значение, так как от качества приработки зависит долговечность узла трения. Для полимерных материалов термин прирабатываемость теряет свой настоящий смысл, так как полимеры обладают высокой эластич­ ностью и легко деформируются под неровностями цилиндра. В ре­ зультате поверхность контакта получается значительной, высо­ ких местных контактных напряжений не возникает. Интересно отметить, что полиамиды способны самосмазываться, т. е., по край­ ней мере, в течение некоторого периода работы поддерживать усло­ вия граничного трения за счет выделения некоторых жидких фрак­ ций смол и выпотевания из пор материала масел. Эти особенности полиамидов позволяют снизить износ, приходящийся на период пуска, изменить режим остановки машины и значительно уве­ личить срок службы сопряжений. Способность самосмазываться исключает образование заеданий в парах трения металл — пласт­ масса даже при временном перерыве в подаче масла.

Из литературы известно, что в диапазоне температур от 250 до 390 К полиамиды не меняют предела прочности при сжатии [48]. Ожидать больших температур, особенно при низких скоростях скольжения, в месте контакта не приходится, так как коэффициент

трения пары металл—полиамид равен 0,005—0,01. Подводя итоги, можно сделать вывод о том, что полимеры выгодно отличаются от существующих антифрикционных материалов и могут быть ре­ комендованы как конструкционый материал для направляющих втулок силовых гидроцилиндров. Это тем более важно, что су­ щественно изменить условия работы бронзовых направляющих втулок конструктивными мерами, направленными на улучшение условия их смазки, трудно вследствие неизбежного возникновения

гидроцилиндров. Было испытано несколько капролоновых и брон­ зовых втулок. Согласно методике, по которой велись испытания, гидроцилиндр разбирался после каждых 500 циклов работы; втулка и внутренняя поверхность цилиндра осматривались.

В результате испытаний бронзовых втулок обнаружено, что по всей поверхности втулки и цилиндра имеется большое коли­ чество мелких и крупных рисок, ширину и глубину которых определяли по слепкам. На рис. 55 представлены кривые измене­ ния глубины рисок от количества циклов для четырех втулок. Графики показывают, что глубина рисок в процессе работы втулки увеличивается и характер изменения ее для четырех втулок примерно одинаков.

Масло, слитое из силового цилиндра, было подвергнуто хими­ ческому анализу. В результате анализа установили, что коли­ чество механических примесей за 500-цикловый период работы доходит до 0,58%, что в 60 раз больше допустимой по ГОСТ 6794—53 (0,008—0,01%). Специальный анализ показал, что,

116