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

Ские свойства. Так, прочностные свойства полиамидов ухудшаются вследствие пластифицирующего действия воды, а электрические свойства — вследствие ионной проводимости последней. Таким образом, при выборе материалов и расчета деталей, работающих во влажной среде, необходимо учитывать изменение их свойств.

На рис. 22 представлено изменение физико-механических свойств полиамидов в зависимости от температуры. При низких

6)

б ц Ю . П а

1200

800

WO

Рис. 22. Зависимость удельной вязкости (а) и предела проч­ ности при изгибе (б) полимеров от температуры:

1 — П-68; 2 — П-АК—7; 3 — капрон; 4 — П-6

температурах повышается жесткость полиамидов и происходит хрупкое разрушение изделий. Некоторое ухудшение механиче­ ских свойств наблюдается при температуре около 323 К, причем при испытании материала на удар и изгиб происходит прогиб образцов без их разрушения. Дальнейшее уменьшение прочности при нагревании до 373 К незначительно.

Влияние влажности среды на предел прочности при растяже­ нии и на удельную ударную вязкость показано на рис. 23. Как видно из графиков, контакты пластмассы с влажной средой мо­ гут значительно изменить физико-механические свойства; при этом меняются размерные параметры деталей из пластмасс. При

58

анализе этих процессов следует различать набухание и процесс капиллярного впитывания.

Время пребывания в воде также оказывает влияние на предел прочности при изгибе и удельную ударную вязкость капрона и полиамида П-68 (рис. 24).

Рис. 23. Зависимость предела прочности при растяжении полиамида П-68 (а) и удельной ударной вязкости капролона (б) от относительной влажности среды

Полиамиды имеют очень хорошую износостойкость при экс­ плуатации. Даже в условиях абразивного трения они изнаши­ ваются значительно меньше, чем металлы и другие неметалличе­ ские материалы. При использовании полимерных материалов в под-

Рис. 24. Зависимость удельной ударной вязкости (а) и предела проч­ ности при изгибе (б) полиамидов от времени пребывания в воде:

2 — капрон; 2 — П-68

-шипниках скольжения практически отсутствует износ сопряженных с полимером металлических деталей. При правильной сборке износостойкость вкладышей и втулок из пластмасс в 10—15 раз больше, чем этих же деталей, изготовленных из какого-либо анти­ фрикционного материала, в том числе и бронзы. Это подтверди­ лось при испытании силовых и направляющих втулок в цилин­ драх, Однако следует отметить, что износостойкость полимеров

59

неодинакова.Так, износостойкость полиамидов значительно выше, чем фторопластов, полиформальдегида и поликарбонатов.

Сравнительный анализ работ различных организаций, изу­

воздухе твердость капролона несколько снижается, но все же остается выше, чем у нетермообработанного.

При сухом трении полимера по стали в большой степени проявляется действие адгезионных сил между металлом и пласт­ массой. В этом случае износ пластмассы происходит более ин­

видно из графика, даже при дли­ тельных испытаниях износ пластмассы незначителен. При много­

кратном деформировании поверхностного слоя в результате высоких напряжений, концентрирующихся в отдельных контактных точ­ ках, возникают высокие локальные температуры, которые наряду с изменением физико-механических характеристик приводят к из* менению и механических свойств поверхностного слоя. График изменения молекулярного веса поверхностного слоя из капро­ лактама в зависимости от числа циклов нагружения представлен

•на рис. 27.

Как уже отмечалось, интересной особенностью уплотнений из полимерных материалов является изменение удельного давления

60

во времени, особенно при повышении температуры. Это явление связано с релаксацией напряжений. Величина релаксации и ее ограничение в ряде случаев являются решающим для обеспече­ ния герметичности соединения.

Таким образом, из всего сказан­ ного следует, что о пригодности того или иного полимерного материала можно судить только после проведе­ ния комплексных испытаний, модели­ рующих реальные условия работы.

§ 9. Полимеры — конструкционный материал в пневмогидравлических системах

Замена металлов пластмассами в конструкциях требует вниматель­

ного подбора их вида и марки в зависимости от условий на­ грузок, окружающей среды и особенно эксплуатации. Например, требования, которые предъявляются к материалу уплотнителя соединений в гидро- и пневмосистемах высокого давления, весьма противоречивы. С одной стороны, материал уплотнителя должен быть достаточно эластичным и мягким, чтобы обеспечить минималь­ ные усилия при монтаже разъемных соединений и легкость ра­ боты клапанных устройств. С другой стороны, от материала тре­ буется высокая механическая прочность, способная противостоять разрушающему действию высокого давления рабочей среды. Материал уплотнителя должен надежно работать не только при температуре 223 К, а в ряде случаев под действием определенных условий обеспечивать требуемую герметичность при 350 К и выше.

Материалами, наиболее полно удовлетворяющими всем выше­ перечисленным требованиям, являются полимеры. Применение деталей из полимеров в различных конструкциях открывает ши­ рокие возможности снижения себестоимости и трудоемкости из­ готовления машин и приборов, уменьшения веса конструкций при одновременном улучшении их качества и надежности.

Полимеры имеют низкий удельный вес и относительно высокую прочность. В качестве антифрикционных материалов и уплотни­ телей они по сравнению с металлами и сплавами обладают следую­ щими преимуществами: низким коэффициентом трения, способ­ ностью к гашению вибраций и к поглощению твердых частиц, высокой износостойкостью и сопротивляемостью к воздействию воды, масел и других смазок.

К преимуществам полимеров относится также возможность изготовления опытных деталей, как правило, на универсальном несложном оборудовании, а при централизованном производстве -серийных изделий ;— на высокопроизводительном специальном

61

оборудовании с автоматизацией производственных процессов, Все это делает их весьма перспективным материалом и во многих случаях полноценным заменителем металла. Однако совершенно необходимо в каждом отдельном случае знать и учитывать особые свойства полимеров для определения возможности правильного их использования. Одна из положительных особенностей поли­ мерного уплотнителя в соединениях трубопроводов — достиже­ ние герметизации неподвижных соединений за счет более полного эффекта самоуплотнения при минимальном предварительном об­ жиме прокладки во время ее установки в соединение. Так, при применении полимерных линзовых уплотнений не требуется боль­ ших усилий для создания полной герметизации соединения. При определенном конструктивном исполнении соединения поли­ мерные линзы значительно снижают динамические напряжения в трубопроводах. Изготовление полимерных линз по сравнению с металлическими проще. Например, изготовление линз из капролона и фторопласта производится на токарном станке обычными резцами. Линзы из других полимерных материалов изготавли­ ваются в пресс-формах. Опыт эксплуатации пневматических и гидравлических систем высокого давления показал, что такие материалы, как капролон, поликапролактам, полиформальдегид, смола П-68 и др. с успехом можно применять в уплотнитель­ ных устройствах в системах самого различного назначения. На ряде предприятий нашей страны уже созданы металлопластмас­ совые клапаны, которые после всестороннего испытания внедрены в серийное производство и успешно применяются при изготовле­

происходит износа седла, а сами клапаны имеют большую эро­ зионную стойкость. Вследствие этого металлопластмассовые кла­ паны значительно повышают работоспособность арматуры в целом. Кроме того, металлопластмассовые клапаны с полимерными уплот­ нителями удобны в эксплуатации: при выходе из строя клапана из-за вымывания уплотнителя возможно неоднократное подрезание торца клапана (четыре-пять раз) и повторная установка клапана в вентиль.

Невысокие требования предъявляются и к обработке уплот­ нительных поверхностей.

Применение полимерных направляющих втулок вместо брон­ зовых также позволило успешно решить ряд вопросов экономи­ ческого и технического порядка. Эксплуатация мощных силовых гидроцилиндров (грузоподъемность 100 т и выше) связана с раз­ ными трудностями вследствие интенсивного износа не только бронзовых направляющих втулок, но и стальных цилиндров дом­ кратов. При работе гидродомкратов на поверхностях бронзовых втулок и цилиндров уже через 5-— 10 циклов появляются надиры глубиной до 0,5 мм. Одна из причин этого— попадание в гидро­ систему частиц металла. Изменить условия работы направляю­

62

щих втулок конструктивными мерами оказалось очень сложно. Применение же конструкции сталь— пластмасса помогло ликвиди­ ровать указанный недостаток. Правильный конструктивный вы­ бор такого узла (например, армированная втулка) дает возмож­ ность выгодно сочетать высокие эксплуатационные свойства обоих материалов.

В настоящее время капролоновые втулки испытаны в широком диапазоне температур, удельных давлений, скоростей скольже­ ния. Установлено, что полимерные втулки в силовых цилиндрах гидросистемы высокого давления увеличивают их долговечность в несколько раз благодаря резкому уменьшению износа не только самих направляющих втулок, но и цилиндров, и штоков, и рези­ новых уплотнений.

Таким образом, благодаря своим физико-механическим и хи­ мическим свойствам уже в настоящее время синтетические мате­ риалы могут широко использоваться в машиностроении не только как заменители цветных металлов и сплавов, но и как самостоятель­ ные конструкционные материалы.

Тем не менее применение полимеров в гидросистемах еще тормо­ зится, так как недостаточно их производство, отсутствуют расчет­ ные данные для создания тех или иных конструкций, не разрабо­ таны методики проектирования уплотнений из пластмасс. В на­ стоящее время совершенно отсутствуют нормативные данные по применению пластмасс в машиностроении. Поэтому проектиро­ вание пластмассовых уплотнений необходимо производить, ис­ пользуя практические данные многих исследований. Целесо­ образно проектирование осуществлять на основе испытаний, проводимых при тех условиях, в которых будет работать уплот­ нение. Причем представляется более правильным принимать в расчет те параметры, которые по своим качествам давали ос­ нование сделать принципиальное заключение о возможности использования выбранного материала в качестве уплотняющего элемента в системах высокого давления.

Прежде чем приступить к расчету и конструированию детали, необходимо располагать данными о том, какую функцию должна выполнять готовая деталь и при каких условиях она будет рабо­ тать. Так как объем требуемой информации может быть весьма обширным, то для ее сбора целесообразно использовать специаль­ ный контрольный лист, с помощью которого конструктор может рассмотреть и учесть в расчете все основные требования, предъяв­ ляемые к детали. Использование контрольного листа особенно полезно для конструктора, который впервые сталкивается с пла­ стмассами, так как этот лист может служить не только руковод­ ством для расчета и конструирования требуемой детали, но и вы­ ступать в качестве своеобразной справочной таблицы, иллюстри­ рующей возможности применения пластмасс. При конструиро­ вании всех пластмассовых изделий необходимо учитывать рабо­ чую температуру. В расчетах в качестве исходных параметров

63

могут быть использованы основные показатели механических свойств, полученных при комнатной температуре. При более вы­ сокой температуре следует использовать соответствующие проч­ ностные показатели материала. Таким образом, может быть га­ рантирована удовлетворительная работа пластмассовой детали при заданной температуре. Если известен диапазон колебаний рабочей температуры, то использование показателей, соответствую­ щих самой высокой температуре, обеспечивает достаточный коэф­ фициент запаса прочности. Следует отметить, что такое же из­ менение прочности происходит у металлов, но обычно его не учитывают, так как степень изменений в металлах в области тем­ ператур, в которой обычно используются пластмассы, ничтожно мала.

Окружающая среда также играет важную роль при расчете пластмассовых деталей. Например, некоторые пластмассы спо­ собны в процессе работы поглощать определенное количество атмосферной влаги. Это может привести к изменению как меха­ нических свойств, так и размеров деталей. Для таких материалов при конструировании необходимо учитывать возможные условия применения. Подробные данные о свойствах этих материалов при различных условиях можно получить от завода-изготовителя пластмасс.

На некоторые пластмассы неблагоприятно действуют опре­ деленные масла, смазки и другие материалы, с которыми в про­ цессе хранения или эксплуатации может соприкасаться рассма­ триваемая пластмассовая деталь. Поэтому при выборе пластмас­ сового материала стойкость к таким воздействиям должна прини­ маться в расчет.

Во многих случаях окончательно выбрать полимерный ма­ териал и конструкцию детали следует лишь после тщательного испытания, чтобы гарантировать ее работу при разнообразных условиях.

Фактор, действие которого также следует учитывать при вы­ боре материала, *— это время действия нагрузки и скорость на­ гружения детали. Это одна из трудноуловимых характеристик любого материала, ибо в большинстве случаев очень трудно опре­ делить точно, какая динамическая нагрузка будет действовать в реальных условиях и как она будет воздействовать на деталь, а существующие методы позволяют рассчитать только геометри­ чески простые детали.

§ 10. Методы изготовления деталей из полимеров

Необходимый уровень безотказной работы пневмогидравлических агрегатов должен обеспечиваться при изготовлении уплот­ нительных устройств и поддерживаться в процессе их эксплуата­ ции путем организации рациональных и простых ремонтов. Ос­ новным критерием для оценки надежной работы агрегата

64

является время, за которое герметичность соединения не нару­ шится больше нормы.

Проблема обеспечения полной герметизации пневмогидравлических систем — одна из главных в их создании. Практика пока­ зывает, что нарушение герметичности является первой причиной неполадок в работе пневмогидравлических и гидравлических си­ стем. Особенно это относится к системам, предназначенным для работы в условиях высоких температур и давлений рабочей среды. Поэтому основные требования к изготовлению уплотнений выте­ кают из их назначения: препятствовать утечке воздуха или жидкости, находящихся под некоторым избыточным давлением, через зазор в стыке двух неподвижных или перемещающихся отно­ сительно друг друга жестких поверхностей деталей арматуры. Это достигает'ся созданием нулевого или малого зазоров между уплотнительными поверхностями.

Уплотнения трубопроводной арматуры при всем их разно­ образии могут быть разделены на три основные группы: клапан­ ные (между клапаном и седлом); уплотнения манжетой (не регу­ лируемые, с двумя уплотнительными поверхностями) и уплотне­ ния с помощью прокладок.

Уплотнения указанных групп могут быть изготовлены двумя способами: литьем под давлением и обработкой резанием. В наи­ более тяжелых условиях в процессе работы находятся уплотне­ ния первой группы. Причем клапанные устройства будут рабо­ тать достаточно надежно при выполнении ряда факторов, одним из которых является создание качественных уплотнитель­ ных поверхностей. Чем выше класс чистоты поверхности, тем больше плотность прилегания клапана и седла, а следовательно, тем меньше усилие, действующее на клапан, требуется для созда­ ния герметичного соединения. Примером может служить работа клапана в редукторе высокого давления. Поэтому при изготовле­ нии уплотнителей клапанного типа необходимо учитывать уро­ вень обработки уплотняющих поверхностей. Рассмотрим два основных способа изготовления пластмассовых уплотнителей в ар­ матуре пневмогидравлических систем высокого давления.

Получение пластмассовых уплотнителей методом литья под давлением

Литье под давлением является наиболее высокопроизводитель­ ным и совершенным методом изготовления полимерных уплотни­ телей. Этим методом на специальных автоматических литьевых машинах перерабатывают обычно термопластичные материалы (полиэтилен, полипропилен, полиформальдегид, поликапро­ лактам и другие полиамиды). Так, способность полиформальде­ гида быстро затвердевать является очень ценным свойством при его переработке. При литье под давлением полимер выдерживается в форме короткое время. При этом получаются детали с минималь­ ными внутренними напряжениями.

Изделия, получаемые методом литья под давлением, имеют точные размеры, очень чистую поверхность и не требуют последую­ щей механической обработки (за исключением удаления литни­ ков и подрезки уплотнителя после сборки его с корпусом клапана). Процесс получения изделия длится 5-—20 с. В связи с малой длительностью процесса все операции изготовления изделия должны точно регламентироваться при строгом соблюдении ре­ жимов процесса литья под давлением, что достигается исполь­ зованием специальных автоматических литьевых машин.

Особенно перспективен этот способ для изготовления мелких уплотнителей, а также полимерных прокладок сложной конфи­ гурации. Внедрение производства уплотнений методом литья под давлением на предприятиях машиностроения не связано с за­ тратами на приобретение специального оборудования и освоение сложных технологических процессов. Наличие раковин не всегда означает, что деталь имеет дефекты. Большинство термопластов в толстостенных деталях при остывании образуют пузырьки и раковины. Основным критерием браковки детали с раковинами является опасность разрушения, которому может способствовать раковина. Следует четко указать те части детали, в которых не допускается наличия раковин. Требование полного отсутствия раковин может значительно увеличить стоимость детали [11].

Получение пластмассовых уплотнителей резанием

Как известно, пластмассы поддаются всем видам обработки резанием, которые выполняют на обычных металлорежущих стан­ ках. Этим методом изготавливают обычно уплотнители из капролона, фторопласта, поликапролактама и т. д. Для получения необходимого качества уплотнительной поверхности очень важен выбор режима резания и инструмента, причем при обработке рекомендуется учитывать специфические физико-механические свойства пластмасс: низкую теплопроводность, относительную мягкость и др. Скорости резания и подачи, глубина резания для большинства пластмасс остаются приблизительно равными вели­ чинами, принятыми при обработке латуни и меди.

Благодаря низкому сопротивлению резанию пластмасс по сравнению с металлами их обработку можно производить на по­ вышенных скоростях резания и подачи. Это может быть достигнуто за счет допускаемой силы резания, которую регулируют умень­ шением толщины снимаемой стружки и быстрым ее удалением из зоны обработки, а также путем заточки инструмента. Однако вследствие низкой теплопроводности пластмасс в полной мере использовать возможности скоростного режима резания не удается. Значительное количество накопленного тепла в детали, сильный разогрев инструмента и детали становится опасным, особенно для термопластичных материалов. Для ликвидации этого необходимо увеличить задний угол в режущем инструменте,

66