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

ідин, их росту и, в конце концов, к разрушению пластмассовых деталей. Это происходит, как правило, потому что детали подвер­ гаются одновременно механическому, тепловому, световому и другим видам воздействия. Однако введением специальных напол­ нителей, стабилизаторов, осуществлением особых химических связей можно влиять на скорость процесса старения.

Как известно, современные транспортные машины должны надежно работать в различных районах земного шара. Поэтому как средство оценки изучения старения материалов в пневмогидравлических системах в настоящее время исключительное значение имеют климатические испытания в специальных аппа­ ратах искусственной погоды и в реальных условиях. Полимер­ ные материалы, успешно выдержавшие весь комплекс климатичес­ ких испытаний, будут сохранять на достаточно высоком уровне свои физико-механические свойства при эксплуатации, тран­ спортировке и хранении в течение длительного времени.

Основными причинами старения полимерных материалов счи­ тается солнечная радиация, особенно ее ультрафиолетовая часть. Работами многих исследователей установлено, что солнечная радиация— наиболее действующий фактор старения полимерных материалов. Ультрафиолетовая часть солнечной радиации может вызвать в полимерных материалах фотохимические превращения на глубине проникновения ультрафиолетовой радиации в ма­

для изменения свойств пластмасс за счет старения, которое про­ текает более или менее равномерно по всему объему полимерного материала.

Таким образом, действие солнечной радиации на полимерные материалы качественно разделяются на две области: область фотохимического воздействия и область теплового воздействия. Эти области всегда связаны между собой и взаимно влияют на процессы старения, протекающие в них. Тепло влияет на скорость и направление химических реакций при фотохимических про­ цессах, а фотохимические процессы могут содействовать про­ цессам теплового старения материала.

Вследствие этого для оценки работоспособности выбранного полимера очень важно знать как изменяются физико-механиче­ ские свойства его в зависимости от светового, светотеплового и теплового их старения.

Опыт эксплуатации транспортных машин различного назна­ чения показал, что полимерные материалы, применяемые в пне­ вматических и гидравлических системах, могут подвергаться следующим формам воздействия внешней среды: 1) открытые фланцевые соединения и все виды деталей, находящихся на скла­ дах, подвергаются действию солнечной радиации и атмосферной влаги; 2) закрытые ниппельные соединения, направляющие

127

втулки гидродомкратов и гидроупоров подвергаются тепловому воздействию от солнечной радиации и от рабочей среды (масла); 3) клапанные уплотнители в редукторах и вентилях подвергаются тепловому воздействию от солнечной радиации и действию влаги рабочей среды (газа). Для подтверждения работоспособности полимеров в различных климатических условиях и прогнозиро-

T,cym

Рис. 59. Изменение удельной ударной вязкости образцов поликапролактама при тепловом и светотепловом старении (а); изменение предела прочности при изгибе образцов поликапролактама при тепловом старении (б)

вания допустимого срока хранения их необходимо после выбора материала провести испытания на старение в условиях, прибли­ женным к реальным.

Светотепловое старение полимеров можно проводить в аппа­ рате искусственной погоды (везерометре) по методике ГОСТ 10226—62, тепловое старение— в термошкафах различного типа с принудительным перемешиванием воздуха в испытательной камере. Практикой установлено, что для оценки светотеплового

итеплового старения полимеров достаточно провести испытания

втечение 130 сут. Критерием оценки изменения свойств полимеров

следует понимать следующие контрольные параметры: удельная ударная вязкость а (по методике ГОСТ 4647—69); предел проч­ ности при растяжении ар (по методике ГОСТ 11262—68) и предел прочности при статическом изгибе си (по методике ГОСТ 4648—63). Измерение контрольных параметров следует производить после

1,5, 10, 15, 30, 45, 60, 75, 90, 120, 150 сут. Изменение абсолютных значений указанных параметров поликапролактама при свето­ тепловом старении при трех температурах дано в табл. 10, а изме­ нение коэффициентов старения К по некоторым исследуемым свой­ ствам поликапролактама— на рис. 59. Как следует изанализа экс­ периментальных данных, удельная ударная вязкость поликапро­ лактама в процессе светотеплового и теплового старения при трех температурах в течение первых 10 сут испытаний возрастает на 16—23 % по сравнению с исходной (рис. 59, а). Причем при теп­ ловом старении удельная ударная вязкость поликапролактама

128

Все это указывает на значительное повышение жесткости материала при воздействии повышенных температур. В процессе теплового старения прочность при изгибе (так же как и удельная ударная вязкость) после упрочнения практически остается без изменения до конца испытаний в отличие от светотеплового ста­ рения, где после упрочнения наблюдается снижение прочности при изгибе, что связано с разрушением поверхностного слоя материала. Прочность при растяжении поликапролактама незначительно повышается во время теплового старения, а в про­ цессе светотеплового старения снижается приблизительно на 20 % от исходной по тем же причинам, по которым происходит сниже­ ние удельной ударной вязкости и прочности при изгибе. Испы­ тания, имитирующие атмосферное старение, следует проводить по методике ГОСТ 10226—62. Причем транспортные агрегаты рекомендуется испытывать в трех климатических зонах: умеренно­ континентальные (Ленинград, район Среднеевропейской части страны); континентальной (район Ферганы и Ташкента) и влаж­ ных субтропиков (район Батуми). В табл. 11 представлены температурные характеристики этих зон.

Т а б л и ц а 11

Характеристика климатических зон

(район Батуми)

Исследования, проведенные по методике ГОСТ 10226—62 образцов из поликапролактама, подтвердили, что выбранные кон­ трольные параметры при атмосферном старении на открытой пло­ щадке изменяются значительно (табл. 12).

Анализ табл. 12 позволяет сделать вывод, что при эксплуата­ ции и хранении изделий из поликапролактама следует принимать меры защиты от солнечной радиации.

130

Однако важно знать не только как изменяются механические свойства пластмасс в зависимости от их старения (в аппарате искусственной погоды и при атмосферном хранении), но и как отразится старение полимеров на их работоспособности. Для этого необходимо проводить испытания уплотнителей на работо­ способность в различных режимах эксплуатации: транспорти­ ровка системы на большие расстояния, работа по программе, длительное хранение. Рассмотрим результаты такого вида испы­ таний соединений с капролоновыми прокладками. Были испы­ таны шесть партий уплотнений. Каждая партия состояла из 24 линз. Методика испытаний предусматривала выдержку партии уплотнительных линз на открытом воздухе, статические испыта­ ния давлением 250-10® Н/м2 при нормальной температуре, при температуре 325 и 223 К, а также вибрационные испытания, имитирующие транспортировку агрегата по трассам с различ­ ным дорожным покрытием. Одна из шести партий линз храни­ лась в течение года на открытом воздухе. У всех линз за испытуе­ мый период раз в месяц измерялся внешний диаметр, внутренний диаметр и высота. По этим параметрам были подсчитаны средние значения по месяцам, которые сведены в табл. 13. Перед каждым замером на линзах проверялось наличие трещин, царапин, а также после замеров каждая линза опрессовывалась в закрытом нип­ пельном соединении на ручном насосе давлением Р = 300-10® Н/м2 в течение 5 мин. Во время испытаний температура воздуха из­ менялась от + 300 К (в июле, августе) до 250 К (в январе, феврале); влажность воздуха была в пределах 40—100%.

Анализируя результаты приведенных испытаний, можно сде­ лать следующие выводы: 1) длительное хранение капролоновых

Т а б л и ц а 13

Изменение размеров прокладок в процессе длительных испытании в режимах эксплуатации

линз при различных температурах приводит к некоторому изме­

2,5 %, а высота на 1 %. Однако на работоспособность линз в вы­ бранной конструкции соединения это не влияет. Все они обеспечи­ вают герметичность, и изменение размеров не выходит за пределы допусков; 2) чередование в широких пределах режимов хранения, работы и транспортировки для уплотнительных линз из полиме­ ров не влияет на их работоспособность; 3) полимерные уплотни­ тели мало подвержены процессу старения в условиях закрытых соединений, причем чередование режимов хранения, эксплуата­ ции и транспортировки не влияет отрицательно на работоспособ­ ность соединения, следовательно, полимерные уплотнительные линзы могут быть применены в магистральных трубопроводах и аппаратуре пневмогидравлических систем, находящихся дли­ тельное время на хранении; 4) полимерные втулки, линзы, кла­ паны, которые работают в условиях, исключающих попадание лучей, могут обеспечить безотказную работу агрегатов и узлов в течение длительного времени (непрерывная работа стендов лабо­ ратории с 1962 по 1972 г.); 5) при длительных хранениях на

132

складах (в течение нескольких лет) заготовки следует смазывать консистентной смазкой циатим-201 и упаковывать в светозащит­ ную бумагу.

§ 16. Ремонт уплотнений арматуры

Работоспособность гидро- и пневмоагрегатов в большинстве случаев определяется долговечностью уплотнений, что, в свою оче­ редь, определяется не только качеством уплотнителя, но и ре­ монтопригодностью уплотняющего устройства. На работу уплот­ нений большое влияние оказывают внешние факторы, описанные выше. Не менее важен для работы уплотнителя правильный выбор всех геометрических параметров деталей, а также чистота их обра­ ботки, точность изготовления фасок, радиусов и других размеров.

Основным дефектом арматуры является недостаточный кон­ такт сопрягаемых уплотнительных поверхностей седла и клапана. Данные литературы, а также анализ испытаний опытной и серий­ ной арматуры высокого давления показывают, что более 90 % обнаруженных дефектов являются следствие недостаточного уплот­ нения контактных поверхностей клапана и седла; остальные 10% составляют заедание в ходовом механизме арматуры и дефект в сальнике или манжете. Практика показала, что наиболее часто дефекты уплотнений возникают по следующим причинам: 1) из-за некачественной сборки, когда уплотнение повреждается еще до эксплуатации; 2) из-за изменений размеров уплотнительных эле­ ментов, вызванных набуханием в масле, воде или остаточной де­ формацией; 3) при недооценке зазоров в различных точках агре­ гатов в рабочих условиях и недостаточных предварительных натя­ гах, приводящих к срезу уплотняющего материала или к его выдавливанию; 4) из-за загрязнения посадочных мест деталей, арматуры.

Из всех перечисленных факторов особое внимание следует обра­ тить на контроль зазоров, так как выдавливание пластмассового уплотнителя из корпуса клапана является довольно частым след­ ствием больших зазоров. Кроме конструктивного просчета зазоры могут быть увеличены вследствие овальности и конусности дета­ лей, сопряженных с уплотнителем, а также из деформаций в про­ цессе работы.

Другой формой проявления дефекта является эрозионный износ уплотнителя или так называемое вымывание материала уплотнения рабочей средой. Это происходит как в результате попадания на рабочую поверхность уплотнителя пыли, песка, влаги, так и в результате некоторого сочетания скорости дефор­ мации поверхности уплотнителя и скорости истечения рабочей среды. То же самое наблюдается и на металлических уплотни­ телях, но наиболее наглядно это можно видеть на металлопла­ стмассовых клапанах (рис. 60).

Практикой установлены следующие способы устранения де­ фектов клапанного устройства.

133

1. Из клапана «выдавило» уплотнитель или центральный штифт (рис. 61). Для исправления необходимо окончательно его вытащить, изготовить или подобрать центральный штифт, наружный диа­ метр которого изготовлен по верхнему значению допуска, запрес­ совать штифт и уплотнитель в корпус клапана, проточить фаску торца клапана и, наконец, проточить (пропылить) торец клапана резцом на токарном станке.

2. Произошел эрозионный износ уплотнителя (рис. 60). При небольших разрушениях уплотняющую поверхность самого клапана и его седло следует притереть различными притироч­

ными пастами или пропылить. При больших вымоинах или незна­ чительных выдавливаниях уплотнительной подушки клапана допускается многократная подрезка последнего. Причем благо­ даря хорошим упругим свойствам пластмасс, требуемая чистота уплотняющей поверхности клапана может быть получена на обыч­ ном токарном станке, даже на таком, который имеется на пере­ движных машинах технического обслуживания. Подрезку может осуществить малоквалифицированный токарь. Изменения харак­

(нагрев при проходе металлической частиклапана) не наблю­ далось на всех режимах работы этого оборудования.

Не следует забывать, что при ремонте клапанов на всех заходных кромках следует снять фаски или радиусы. Ко всему ска­ занному следует добавить, что одним из условий надежной работы уплотнений после ремонта является соблюдение всех технических условий на изготовление и сборку уплотнительных элементов.

Микроскопические исследования мест разрушения полимерных линзовых прокладок после испытаний на механическую прочность внутренним давлением показало, что характер разрушения не

134

зависит от способа изготовления прокладки и определяется вели­ чиной давления и температурой рабочей среды для открытых флан­ цевых соединений и только температурой для ниппельного, арми­ рованного гайкой соединения.

В обоих случаях начальный период процесса разрушения линзы протекает одинаково: на поверхности прокладки на внутренней ее кромке появляются трещины, длиіГа и ширина которых по мере возрастания числа циклов нагружения (или числа циклов нагрева) увеличивается. Исследование влияния этих трещин на прочность и герметичность соединения показало,

ходного'сечения уплотнительного устройства) производить ремонт соединения не требуется. При дальнейшем увеличении длины тре­ щин необходимо заменить прокладку.

Место для уплотняющих деталей должно быть рассчитано так, чтобы компенсировать увеличение их размеров вследствие объем­ ного набухания в рабочей среде. Очень важно при ремонтах уплот­ няющих элементов обеспечить исключительную чистоту для предупреждения загрязнений уплотнений. Жидкости, применяе­ мые для промывки деталей и самих уплотнений, должны быть нейтральными к ним.

Ремонт уплотнения можно облегчить, применив специальный инструмент и приспособлениям При этом очень важно не повредить уплотняющие поверхности уплотнителей.

§ 17і Экономическая эффективность применения пластмасс

в пневмогидравлических системах

В результате улучшения качества производимых пластмасс и совершенствования методов их переработки машиностроение становится одной из главных отраслей потребления пластмассовых

изделий из пластмасс, как правило, оказывается ниже, чем ме­ таллов.

Кроме того, применение пластмасс в машиностроении позво­ лит снизить вес машины, улучшить технико-экономические пара­ метры конструкции, снизить себестоимость и трудоемкость их изготовления. Одним из основных преимуществ применения поли­ мерных материалов в различных отраслях народного хозяйства является высокая производительность труда при изготовлении из них деталей. В значительной степени именно этим объясняются большие объемы производства полимеров, превышающие произ­ водство цветных металлов, причем следует учесть, что термопла­ стичные материалы, к которым относится подавляющее болыпин-

135

ство полимеризационных пластиков, перерабатываются в изделие высокопроизводительными методами. Наиболее трудоемкими опе­ рациями в машиностроении являются механические операции по холодной обработке металлов резанием. Производство услож­ няется в связи со значительным удельным весом заготовительных работ, занимающих промежуточное положение между чисто металлургическими и чисто машиностроительными процес­ сами.

Производство пластмасс и изготовление изделий из них яв­ ляются менее трудоемкими процессами, так как центр тяжести переносится из обрабатывающих в заготовительные цехи, где будут изготавливаться не заготовки, а детали из пластмасс, не требующие дальнейшей обработки. Современные методы пере­ работки и изготовления деталей из пластмасс характеризуется высокой экономичностью и технологичностью. Например, замена металлических линз для соединения трубопроводов в пневмо- и гидросистемах высокого давления полимерными позволило сократить затраты на их изготовление литьем под давлением приблизительно в три раза. Даже при необходимости получения уплотнительных линз механической обработкой затрачивается на это времени в 1,5—2 раза меньше из-за понижения класса чистоты поверхности на два — три порядка. Трудоемкость в ме­ таллургическом производстве превышает трудоемкость произ­ водства пластмасс в два — пять раз.

Переход на новые формы планирования и экономического стимулирования тесно связан с системой ценообразования. Эко­ номическая эффективность применения пластмасс в народном хозяйстве в значительной степени зависит от соотношения опто­ вых цен на взаимозаменяемые материалы и изделия из них. В ре­ зультате введения новых оптовых цен с 1 июля 1967 г. эффект применения пластмасс во всех отраслях народного хозяйства (особенно при замене металлов) значительно возрос. В то же время цены на прокат металлов повышены в среднем на 40%, а цветных металлов — на 22%. Научно-технические достижения за послед­ ние годы в производстве сырья для пластмасс и при изготовлении самих пластмасс, увеличение объемов выпуска их позволили сни­ зить оптовые цены на смолы и пластмассы на 18%. Новые цены на смолы и пластмассы явились важной предпосылкой для снижения цен на изделия и детали из пластмас. Общее снижение цен на эту продукцию составило почти 25%.

При определении основных направлений применения пластмасс в машиностроении необходимо ориентироваться не только на имеющиеся материалы. Следует учитывать перспективы разра­ ботки и освоения новых полимеров с высокими физико-механи­ ческими свойствами. Целью внедрения в основные отрасли маши­ ностроения пластмасс в первую очередь является замена цветных металлов, а также (если это экономически целесообразно) черных металлов. Пластические массы получают широкое распростра­

136