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

для увеличения срока службы машины в целом и создается опре­ деленными условиями эксплуатации не только гидросистемы, но и всей машины. Одним из основных звеньев гидродомкратов являются направляющие антифрикционные втулки. Следова­ тельно, все вышеперечисленные особенности эксплуатации гидро­ приводов с полимерными уплотнителями в равной мере можно отнести и к полимерным направляющим втулкам. Однако следует отметить некоторые характерные условия работы втулок, так как от них зависит обеспечение длительных сроков службы изнашива­ ющихся поверхностей деталей, составляющее центральное звено в общей проблеме долговечности гидродомкратов. Срок службы полимерных направляющих втулок определяется в первую оче­ редь сопротивляемостью износу. Под их износом понимается повреждение поверхностного слоя материала в результате внеш­ них силовых воздействий при трении, сопровождающееся разу­ прочнением материала или изменением геометрических размеров втулки. Функциональные нарушения в работе гидродомкратов, вызванные износом направляющих втулок, лимитируют длитель­ ность нормальной эксплуатации гидравлической системы. Это особенно характерно для грузоподъемных машин, так как повы­ шение скоростей и грузоподъемности транспортных средств обус­ ловливают рост силовой и тепловой напряженности работы тру­ щихся деталей. Проблемные вопросы в области трения и изна­ шивания возникают обычно применительно к экстремальным условиям работы деталей — при повышенных температурах, в агрессивных средах, глубоком вакууме и т. д. Исследования работы гидродомкратов с бронзовыми антифрикционными втул­ ками в различных организациях показали, что условия работы пар трения в них близки к экстремальным. Причем установлено, что появление рисок на поверхности втулок и цилиндров происхо­ дит с первого цикла работы гидродомкрата.

В связи с тем, что рабочая среда для гидропривода с силовыми цилиндрами должна быть особо чистой, в систему устанавли­ ваются специальные фильтры. Однако полностью исключить попадание частиц металла между трущимися поверхностями не­ возможно. В этих условиях на бронзовых втулках и цилиндрах появляются надиры, а в масле частицы металла. Так как поли­ мерные направляющие втулки обладают высокими упругими свойствами, на поверхности их присходит местная обратимая деформация, позволяющая абразивным частицам внедряться, не вызывая разрушения. При изменении температуры окружающего воздуха от 223 до 350 К не происходит ухудшения способности втулок «улавливать» эти частицы.

Следует иметь в виду, что силовые цилиндры при давлениях (ЮО-ьЗОО) ІО5 Н/м2 преодолевают усилия до нескольких десятков тонн, причем с увеличением числа ступеней гидродомкрата про­ исходит увеличение дополнительных поперечных нагрузок. При этих условиях на втулку действуют знакопеременные силы,

37

которые в сочетании с усилиями от действия рабочей среды со­ здают сложное напряженное состояние в материале втулки.

Одновременно с действием знакопеременных нагрузок втулки в процессе работы имеют линейное перемещение с довольно боль­ шими скоростями.

Таким образом, при конструировании силовых цилиндров с пластмассовыми направляющими втулками необходимо знать, что долговечность направляющих втулок определяется их сопро­ тивляемостью износу. Кроме того, направляющие втулки должны быть прочными и эластичными, т. е. сохранять постоянство формы и способность в условиях эксплуатации при определенных на­ грузках многократно упруго деформироваться. Это требование является одним из' важнейших, предъявляемых к материалу, из которого предполагается изготовлять направляющие втулки.

§ 6, Материалы, используемые в конструкциях арматуры

Выбор материала уплотнения зависит от вида и состояния разобщаемой рабочей среды (жидкость, газ, давление, темпера­ тура и Др.), назначения уплотнения и его конструкции. Однако во всех случаях материал должен обеспечивать необходимую герметичность и заданную долговечность.

Для изготовления пневмогидравлической арматуры применяют почти все распространенные в машиностроении материалы..Так, например, для разобщения различных масел, используемых в ги­ дросистемах транспортных агрегатов, применяют вентили, запор­ ный клапан которых выполнен из нержавеющей стали. Корпус вентиля изготавливают, как правило, из силумина или нержаве­ ющей стали,: имеющих меньшую твердость, чем клапан. Для запирания сжатого газа применяют вентили с корпусами из бронзы и клапанами из нержавеющей стали. Там, где не требуется полная герметичность, используют запорные устройства золот­ никового типа, изготовляемые из различных марок стали,

В целях соединения трубопроводов между собой или подсоеди­ нения их к арматуре используют различного вида прокладки, изготовленные из свинца, меди, алюминия, медно-никелевого сплава (монель-металла), нержавеющей стали. Во всех случаях прокладка должна выбираться таким образом, чтобы твердость ее материала была меньше твердости материала ниппеля и шту­ цера. Направляющие втулки гидроцилиндров изготавливают из бронзы (типа бронзы АЖ-9-4 ГОСТ 493—54),

Рассмотрим некоторые материалы уплотнителей.

С в и н е ц —: металл синеватого цвета. Он достаточно мягок, ковок, обладает малой прочностью на разрыв, тягуч. Коррозий­ ная стойкость свинца обеспечивается появлением на его поверх­ ности защитной пленки, которая не разрушается при воздействии агрессивных сред. Благодаря этому свинец широко применяется

3?

Как прокладочный материал для соединения трубопроводов, транспортирующих агрессивные среды. При изменении темпе­ ратуры механические свойства свинца резко меняются.

М е д ь м а р к и Ml и М3 широко используется для про­ кладок. Этот материал содержит 0,1—0,5% примесей и обладает способностью пластически деформироваться. Перед установкой в соединения прокладки из меди отжигаются. Диапазон давлений рабочей среды, при которых используются медные прокладки, очень велик и находится в пределах от 0 до 4000-10* Н/м2.

А л ю м и н и й — металл серебристого цвета с легким синеватым оттенком. Он обладает большой пластичностью, усту­ пая в этом отношении только золоту и серебру. Алюминий легко окисляется с образованием окисной пленки повышенной плот­ ности, предохраняющей его от дальнейшего окисления, под­ дается механической обработке, что позволяет изготовлять различные по форме поперечного сечения прокладки. Он приме­ няется в гидравлических и пневматических системах для уплот­ нения соединений трубопроводов при давлении до 60-10* Н/м2.

и 1,5% марганца. Он не подвержен атмосферной коррозии, воз­ действию минеральных масел и обладает относительно высокими механическими свойствами при высокой температуре. Как про­ кладочный материал монель - металл применяется для соедине­ ния трубопроводов, транспортирующих агрессивную среду при давлении до 100-10* Н/м2.

Р е з и н а — продукт, получаемый при смешении каучука с наполнителями и другими ингредиентами с последующей вулка­ низацией. Вулканизацию применяют для придания резине меха­ нической прочности, высокой эластичности и стойкости к раство­ рителям. Свойства резины определяются свойствами и относи­ тельным количеством основных компонентов (каучука, серы, наполнителей, противостарителей и т. д.), режимом изготовления резиновых смесей, степенью и способом их вулканизации. Так, эластичность резины зависит от количества присутствующей в ней серы, в связи с чем резина подразделяется на мягкую (2— 8% серы), средней твердости (12—20% серы) и повышенной твердости (25—60% серы). Добавка газовой сажи способствует повышению прочности резины, а добавка пластификаторов — по­ вышению ее морозостойкости. Резине свойственна упругая (вы­ сокоэластическая) деформация, пределы практически обратимой деформации резины в 20—30 раз больше чем у стали. Ее способ­ ность к упругим деформациям зависит от температуры. Высокой объемной упругостью резина напоминает жидкость.

Высокая эластичность, достаточная прочность, химическая стойкость по отношению к рабочей среде, а также температуро­ устойчивость резины позволяют широко использовать ее как прокладочный материал. В расчетах резину с достаточной

39

точностью можно принимать несжимаемой. Чтобы она могла сжи­ маться в одном направлении, необходимо предусмотреть возмож­ ность ее расширения в других направлениях.

Для изготовления резины применяют натуральный и синтети­ ческий каучуки. Ассортимент синтетических каучуков, приме­ няемых для производства резины, очень разнообразен: натрийбутадиеновый, бутадиенстирольный, бутадиеннитрильный, кремнийорганический, фторсодержащий и др. Большинство из них является сополимерами, т. е. продуктами полимеризации двух или нескольких веществ, соединенных для получения желаемых ха­ рактеристик каучука.

Применение синтетических каучуков позволяет снизить стои­ мость резины. Сравнительная легкость получения синтетических каучуков, обладающих нужными свойствами, позволила создать резины, значительно превосходящие по своим свойствам резины, изготовленные на основе натурального каучука.

матических систем, работающих при давлении до 400-ІО5 Н/м2. Эти соединения нашли очень широкое применение в пневмогидро­ системах транспортных агрегатов и изготовляются в следующем конструктивном исполнении: штуцер с уплотняющим конусом и сферический ниппель соединены накидной гайкой. Указанные материалы в качестве уплотнителей обеспечивают герметичность соединений в процессе экспуатации. Однако после замены одного или нескольких агрегатов создать герметичность вновь собранных соединений очень трудно. Неровности, оставшиеся на уплотни­ тельных поверхностях после их разборки, образуют зазоры— каналы, по которым рабочая среда перетекает из мест с большим давлением в места с меньшим давлением. Устранить эти каналы можно при помощи взаимного сжатия уплотнительных поверх­ ностей до таких усилий, при которых происходит деформация всех неровностей, что требует больших, практически трудно осуществимых усилий сжатия. Последнее затрудняет монтаж и регламентные работы на машинах в полевых условиях. Замена прокладки также сопряжена с большими трудностями, так как деформированная прокладка заполняет зарезьбовую канавку накидной гайки или отверстия под штуцер. Для удаления такой прокладки требуется разрубить ее на две части; при этом необходимо не нарушить уплотнительные поверхности ниппеля или корпуса агрегата, где установлены металлические прокладки.

Применение в гидравлических агрегатах пары трения металл по металлу также связано с определенными трудностями. Так, например, при взаимодействии бронзовой направляющей втулки и стального цилиндра гидродомкрата возможно появление сопут­ ствующего износа — схватывания 1-го рода, т. е. интенсивного разрушения поверхностей деталей при трении. Выражается это в пластической деформации поверхностных слоев, возникновении

40

ГЛАВА II

ПОЛИМЕРЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ

ВАРМАТУРЕ ПНЕВМОГИДРОСИСТЕМ

§7. Особенности структуры полимера

Вэтом разделе даны краткие общие сведения о пластмассах, используемых в арматуре пневмогидросистем.

П л а с т м а с с а м и называются материалы органического и неорганического происхождения, в состав которых входят веще­ ства с большим молекулярным весом (высокомолекулярные), обладающие на определенной стадии переработки пластичностью и текучестью. Пластмассы состоят из собственного пластика (смолы), играющего роль связующего вещества, и наполнителя, вводимого с целью повышения физико-механических свойств изделия. Напол­ нителями служат волокнистые вещества (древесные опилки, бу­ мага, фанерный шпон, ткань, асбест, отходы хлопка и т. д.) или порошкообразные материалы; иногда пластмассы (например, по­ лиамиды) вообще не содержат наполнителя. В состав пластмасс могут входить также следующие вещества: 1) пластификаторы, понижающие температуру размягчения и повышающие пластич­ ность; 2) красители; 3) стабилизаторы, способствующие сохране­ нию пластиками основных свойств; 4) специальные вещества (например, светящиеся составы).

В качестве связующего материала чаще всего применяются синтетические смолы с молекулярным весом свыше 1000, реже — естественные смолы (пек, шелак и др.).

Характер применяемой смолы и наполнителей определяет основные свойства пластмасс: электроизоляционные, антифрик­ ционные, водостойкие, фрикционные и т. п. В зависимости от типа применяемой смолы все пластмассы делятся на две группы: термореактивные и термопластичные.

Т е р м о р е а к т и в н ы е пластмассы (реактопласты) под действием тепла и давления плавятся, текут, заполняя металли­ ческую пресс-форму для оформления изделия, а затем под дей­ ствием тех же факторов переходят в твердое неплавкое состояние. Для термореактивных пластмасс этот процесс необратим: однажды

42

переработанная в изделие термореактивная пластмасса вторично

действием тепла и давления заполняют форму и затвердевают в ней при охлаждении. Процесс этот может быть повторен.

Из всех видов пластмасс широкое применение в пневмогидравлических системах имеют полимеры. Исходные вещества, из которых образуются полимеры, представляют собой мономеры, т. е. состоят из простых молекул. В отличие от низкомолекуляр­ ных соединений, свойства которых в основном определяются их химическим составом, свойства полимеров, кроме химического состава, характеризуются их молекулярным весом, формой мо­ лекул, типом связей между молекулами, полидисперсностью. Особое влияние на свойства полимеров оказывает молекулярный вес, понятие которого в химии высокомолекулярных соединений резко отличается от понятия молекулярного веса низкомолекуляр­ ных соединений.

Молекулярный вес низкомолекулярных соединений — кон­ станта, характеризующая данное химическое соединение. Моле­ кулярный вес высокомолекулярных соединений является вели­ чиной среднестатической. Для характеристики высокомолекуляр­ ных соединений используют понятие среднего молекулярного веса. При повышении среднего молекулярного веса полимера до известного предела увеличивается механическая прочность, повышается эластичность и т. п.

Средний молекулярный вес не определяет всего комплекса свойств полимера. Такие свойства, как устойчивость к действию химических реагентов, высоких температур, диэлектрические свойства и др., зависят от химического строения полимеров, степени отверждения (защитности).

На свойства полимеров оказывает влияние и характер связи между элементарными звеньями макромолекул и их форма. Чем более вытянута и менее разветвлена макромолекула поли­ мера, тем выше вязкость, меньше растворимость полимера и больше его прочность. Свойства полимеров зависят и от строе­ ния, так как полимеры могут находиться в аморфном или кристал­ лическом состоянии или содержать аморфные и кристаллические фазы. Полимерам кристаллического строения свойственны более высокая температура плавления, механические и химические свойства.

Сырьевой базой для получения синтетических полимеров являются уголь, торф, нефть, попутные нефтяные газы, а также древесина и отходы сельского хозяйства. Производят эти продукты при коксовании каменных и бурых углей, при крекинге нефти и сухой перегонке дерева, при сбаживании и гидролизе отходов сельского хозяйства (кукурузные початки, солома), камыша. Эти материалы часто оказываются отходами основного производ­ ства.

43

Получают полимеры из особых исходных органических про­ дуктов — мономеров — химических соединений, отдельные мо­ лекулы которых благодаря наличию двойных или тройных связей способны соединяться между собой, образуя молекулы удвоенного (димер), утроенного (тример) или многократно увеличенного (полимер) молекулярного веса. Полимеры синтезируют двумя основными методами: полимеризацией и поликонденсацией.

П о л и м е р и з а ц и я в простейшем ее виде заключается в том, что молекулы мономеров соединяются между собой с обра­ зованием длинных цепочек молекул полимера. Если хотят ука­ зать, что молекулы полимера имеют очень большие относительно молекул мономера размеры, то продукты полимеризации назы­ вают высокополимерами. При полимеризации химический состав полимера соответствует химическому составу исходного мономера. Современное состояние химии высокополимеров позволяет полу­ чать полимеры с заданными свойствами или предопределять свойства получаемого полимера.

П о л и к о н д е н с а ц и я представляет собой химический процесс получения высокомолекулярных органических соеди­ нений — смол из различных низкомолекулярных исходных ве­ ществ, сопровождающийся отщеплением побочных продуктов (воды, спирта, хлористого водорода и т. д.).

Полимеры в зависимости от физико-механических характери­ стик могут служить конструкционным материалом при проекти­ ровании гидравлических и пневматических систем. Однако в пневмогидравлических системах высокого давления в качестве уплотнительных устройств рекомендуется применять полиэтилен, капролон, полиамид П-68, . полиформальдегид, полипропилен, фторопласт-4, ленту ФУМ, некоторые виды герметиков.

Выделение полимеров в отдельную группу веществ обуслов­ лено наличием у них ряда характерных свойств. Отличие поли­ меров от низкомолекулярных соединений особенно резко обнару­ живается в механических свойствах как их самих, так и их рас­ творов. Действительно, для твердых тел характерны большие прочности при очень малых величинах обратимых деформаций. Для жидкостей, наоборот, свойственна способность к неограни­ ченной деформации при отсутствии ощутимой прочности. Наряду с этим мы знаем ряд материалов, механические свойства которых являются сочетанием свойств твердых тел и жидкостей. Они прочны и способны к значительным обратимым (высокоэластичным) деформациям. Это очень многочисленная группа веществ, к кото­ рой относятся и полимеры.

Полимеры отличаются ярко выраженной способностью к обра­ зованию волокон и пленок, а их растворы — повышенной вяз­ костью.

Полимерные вещества состоят из очень больших линейных или разветвленных молекул, получивших название макромолекул; в ряде случаев весь образец полимера является единой простран­

44

ственной макромолекулой. В результате исследований молеку­ лярного строения частиц полимеров стало известно, что полимеры состоят из больших цепных молекул, образованных из многих химических групп (звеньев). Звенья могут быть одинаковыми и различными. Последние распадаются на два или большее коли­ чество типов. Цепные молекулы с различными химическими груп­ пами образуются из регулярно или нерегулярно чередующихся звеньев различных видов. По структурной схеме они делятся на

разветвленные и связанные в неправильные пространственные сетки.

Характерным для полимеров является наличие длинных мо­ лекул с резким различием характера связей вдоль цепи и между цепями. Особенно следует подчеркнуть отсутствие изолированных цепных молекул. Таким образом, молекула полимера всегда находится во взаимодействии с окружающей средой. Поэтому для характеристики полимера недостаточно указания типа связей вдоль цепи — необходимо еще иметь сведения о природе меж­ молекулярного взаимодействия. Нужно учитывать, что харак­ терные свойства полимеров могут быть реализованы только тогда, когда связи вдоль цепи намного прочнее поперечных свя­ зей, образующихся вследствие межмолекулярного взаимодей­ ствия любого происхождения [28].

Главная особенность любого полимерного вещества, опреде­ ляющая его физические свойства, состоит в наличии двух типов связей, резко отличающихся по своей природе и энергии. Атомы в цепи соединены химическими связями, энергия которых состав­ ляет сотни больших калорий, а сами цепи между собой объеди­ нены значительно более слабыми межмолекулярными силами [54].

Поскольку большинство высокомолекулярных веществ в обыч­ ных условиях можно считать с точки зрения фазового состояния жидкостями, остановимся несколько подробнее на различных формах аморфного состояния этих веществ. Аморфные высоко­ молекулярные вещества с линейными молекулами в зависимости от условий могут находиться в трех физических состояниях — стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем.

Молекулярные силы, действующие между отдельными атомами

иих группами, препятствуют изменению формы макромолекул. На способность макромолекул перемещаться относительно друг друга сильно влияет температура, поскольку с повышением температуры увеличивается как вероятность тепловых толчков, так и их энергия. Поэтому с повышением температуры легче изме­ няется взаимное расположение соседних молекул или их участков

ичаще происходят акты перемещения. Иначе говоря, скорость перемещения макромолекул определяется соотношением энергии взаимодействия с энергией их теплового движения. При низких температурах, когда энергия теплового движения значительно ниже энергии взаимодействия макромолекул друг с другом, скорость перемещения становится ничтожно малой и молекуляр-

45

яые цепи не могут менять ни своей конформации, ни взаимного расположения. Так как в этом состоянии высокомолекулярные вещества сходны со стеклом, также имеющим аморфную струк­ туру и обладающим обычной упругостью, это состояние назы­ вается с т е к л о о б р а з н ы м .

При высоких температурах, когда энергия теплового движе­ ния велика по сравнению с энергией взаимодействия макромоле­ кул, возможно сравнительно легкое перемещение молекул отно­ сительно друг друга. В этих условиях высокомолекулярное веще­ ство под действием внешних сил способно течь, отчего это состоя­ ние называется в я з к о т е к у ч и м . Эта способность высоко­ молекулярных веществ используется в технике для формования

вого движения близка к энергии взаимодействия макромолекул, возможно изменение взаимного расположения отдельных частей молекулярных цепочек, но не макромолекул в целом, т. е. под влиянием внешней силы может происходить распрямление моле­ кул, но не сдвиг их по отношению друг к другу. В данном виде высокомолекулярные вещества способны проявляться каучуко­ подобную эластичность, от чего это состояние и названо высоко­ эластичным.

Таким образом, релаксационные явления, течение или эласти­ ческая деформация образца высокополимера, имеют тепловую природу. Причем переход от высокоэластического к стеклообраз­ ному состоянию высокомолекулярных веществ совершается в не­ котором температурном интервале. Также плавно совершается и переход от высокоэластического состояния к вязкотекучему. Кроме того, пределы температуры стеклования и текучести, могут изменяться и в зависимости от метода определения этих величин. Поэтому всегда надо указывать способ, которым пользовались при нахождении температур стеклования и текучести. Условно выбранная «средняя» температура перехода высокоэластического состояния в стеклообразное обычно называется температурой стеклования Тс.

Аналогично установленная температура перехода высокоэла­ стического состояния в вязкотекучее называется температурой текучести Т т. Так как в вязкотекучем состоянии становится возможным перемещение целых молекул по отношению друг к другу, температура текучести зависит от длины молекулы и тем больше, чем длиннее молекула или выше молекулярный вес этого вещества.

Высокомолекулярные материалы, обладающие высокой элас­ тичностью, проявляют это свойство в достаточно широком диапа­ зоне температур, причем обычные комнатные температуры лежат в пределах этого диапазона. Следовательно, у всех высокоэластичческих материалов, применяемых.в машиностроении, температуры стеклования должны лежать значительно выше комнатной тем­

46