Промышленный лизинг Промышленный лизинг  Методички 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 [ 32 ] 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76


Рис. 5.27. Прибор для измерения удельного усилия Р манжеты с рычажным силовым элементом и разрезным валом

4, 6), 175 °С (для резин группы 5) не должно вызывать изменения заданных параметров сверх установленных.

Ресурсные испытания проводят в течение 48 ч на специальных установках, позволяющих контролировать утечки при форсированных режимах по скорости V, температуре 9, эксцентриситетах 8д = 0,125 мм, 8с = 0,15 мм; для резин групп 1, 2, 3 9 = 100°С; для резин групп 4, 5, 6- 130 °С. Утечки не должны превышать нормы класса 2-1 негерметичности.

Требования к установке манжет. Сопряженные с манжетой поверхности деталей должны иметь параметры шероховатости по ГОСТ 2789-73: вал - = = 0,32 мкм или Ra = 0,16 мкм, риски не допускаются; отверстие в корпусе -Яа = 2,5 мкм. Требования к твердости вала - см. подразд. 5.2. Квалитет допуска вала h 10, корпуса - Н9. Предельное радиальное биение вала и несоосность посадочного места относительно оси вала - см. табл. 5.1. В конструкции сопряженных деталей должны быть предусмотрены заходные фаски для устра-

нения повреждений манжеты при сборке (рис. 5.28). Обычно уплотняющую кромку манжеты повреждают, если она при сборке проходит через шлицы, шпоночные пазы, резьбы и т. д., которые могут иметь заусенцы и острые кромки. Поэтому сборку необходимо выполнять с помощью оправок (рис. 5.28). Перед установкой в изделие манжета должна быть очищена от загрязнений и смазана (для резин групп 1, 2, 3, 6 рекомендуется ПСМ 1-13 по ОСТ 38.01145-80, для резин групп 4,5 - ЦИАТИМ-221 по ГОСТ 9433-80).


Глава О

СОВМЕСТИМОСТЬ МАТЕРИАЛОВ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СРОКОВ ЭКСПЛУАТАЦИИ УПЛОТНЕНИЙ

а) S)

Рис. 5.28. Схема установки манжет в изделие

6.1. Основше положения и критерии сравнения

При эксплуатации и хранении происходит старение уплотнений. Старением в общем смысле называют изменение свойств вещества во времени. Под действием различных агентов физическое состояние и химический состав материалов изменяются, поэтому при эксплуатации и хранении изменяются все стандартные показатели материалов: р, £, ст и др. Для прогнозирования сроков работоспособности необходимо знать механизм старения, математическое его описание и предельно допустимые значения показателей качества. Уплотнения контактируют с рабочей и окружающей средами, материалами мест установки и контртел, причем некоторые из них являются химически активными (агрессивными) или проявляют свойства катализаторов химических процессов.

Пригодность материалов для работы в условиях взаимного контакта называют совместимостью. При хорошей совместимости изменение свойств материалов вследствие контакта со федами должно происходить в заданных пределах в течение установленного срока. Для подтверждения совместимости проводят комплекс физико-механических (на набухание, прочность, твердость, морозостойкость и др.), специальных (на трение, термостарение и т. д.) и натурных испытаний. Совместимость оценивают качественно (по трех-, четырех-, пяти- и десятибалльной системам) либо количественно (по кинетическим константам протекания процесса - энергии активации, константам скорости химических реакций, параметрам диффузии). Несмотря на прин-

ципиальные преимущества кинетических методов, позволяющих прогнозировать время старения, большее распространение получили методы экспертных оценок в баллах.

Критерии оценки в баллах [13]. Часто используют трехбалльную систему, установленную ГОСТ 12020 - 72:

балл 1 (С)- стойкие (химического разрушения не происходит);

балл 2 (О) - ограниченно стойкие (допустимо только кратковременное применение);

балл 3 (Н) - нестойкие (применение не разрешается).

Изменение механических свойств оценивают коэффициентами стойкости (табл. 6.1); прочностные параметры -коэффициентом К„ = СТр,/СТро; деформационные - Kj = 8i/8o; набухание - q = = (m, - то)/то (здесь индекс О относится к исходному параметру, t - к параметру при времени t).

Коэффициенты стойкости резин оценивают по динамической деформации ползучести 8д (К = 8од/е,д) и долговечности tp (табл. 6.2).

Четырехбалльная система:

балл 1 (В) - вполне стойкие, феда не действует (К„ = +5%; К,= ±2%);

балл 2 (С) - стойкие, слабое действие среды (К„ = ±15; К, = +10%);

Таблица 6.1

Коэффициенты стойкости полимеров по ГОСТ 12020 -72

Полимер

Балл

Термопласты

До 10 10-15 Св. 15

До 10 10-20 Св. 20

Реактопласты

До 15 15-25 Св. 25



Таблица 6.2 Коэффициенты стойкости реэин [13, 23]

Балл

ч, %

ICt, Vo

/р, ч

До 1

До 75

Св. 10

75-175

2-10

Св. 6

Св. 175

До 2

балл 3 (О) - относительно (мало) стойкие (К„= +20%; К,= ±15%);

балл 4 (Н) - нестойкие, материал разрушается.

Пятибалльная система широко распространена за рубежом как описатель--но-качественная. Оценки стойкости: 5 -отличная, 4 - хорошая, 3 - удовлетворительная, 2 - посредственная, 1 - неудовлетворительная.

Десятибалльная система основана на оценке вероятных сроков службы t, годы (в скобках указана оценка по пятибалльной системе):

балл 9-10 (отлично) - t > 10 лет; при t < 1 год нет изменений;

балл 7-8 (хорошо) - г = 5... 10 лет, при t < 1 года незначительные изменения;

балл 5-7 (удовлетворительно) - f = = 1...5 лет, при t<l года К„ > 0,7;

балл 3 - 4 пофедственно - t < 1 года; при t < 1 мес. К„ < 0,7;

балл 1-2 (неудовлетворительно) -разрушение материала при t < 1 мес.

Соотношения оценок по трех-, четырех- и пятибалльной системам:

С В и С отличная и хорошая

О О удовлетворительная

Н Н неудовлетворительная

Для полимерных материалов наиболее целесообразна четырехбалльная система оценки [13].

Энергетические воздействия. Уплотнение при эксплуатации подвергается различным энергетическим воздействиям. Постоянно действующим фактором является тепловая энергия. Иногда проявляется воздействие радиационной и электрической энергии. Эти виды энергии определяют интенсивность статических процессов старения.

В динамических условиях действуют также механическая энергия деформации и трения, волновая механическая энергия, выделяющаяся при вибрации, звуковых и ультразвуковых колебаниях. В результате этих воздействий в материале происходят следующие физико-химические изменения: физического характера в результате сорбционного и диффузионного массообмена компонентов материала уплотнения и сред; химического характера в структуре материала - химическая деструкция; механохимическо-го характера в результате процессов деформации и трения.

Изменения физического характера выявляют за время от нескольких часов до нескольких суток. Они проявляются прежде всего в изменении массы (набухании) материала, по которому судят о совместимости материала со средой, затем в изменении прочностных характеристик (£, а, е, ...) и температур (с> Х1» •••) перехода. Химическая и ме-ханохимическая деструкции материала происходят в течение очень длительного времени и достигают предельно допустимых значений после нескольких лет эксплуатации. Соответствующие исследования и расчеты являются предметом научного прогноза сроков эксплуатации уплотнений. В настоящее время методика прогноза разработана для эластомерных уплотнений (см. подразд. 6.4) и рабочих жидкостей [35].

Термоокислительный механизм процесса старения [35, 44, 81, 92]. Механизм термоокислительных реакций и механо-химических превращений сходен с механизмом цепных реакций, для описания которых применяют понятие энергии активации U процессов. В элементарных химических процессах энергией активации является избыточная энергия частицы (например, молекулы), при которой она находится в активном состоянии и способна вступить в химическую реакцию. При описании таких сложных процессов, как старение материалов уплотнений и рабочих жидкостей, энергия активации и константа скорости

старения К приобретают обобщенный характер, интегрально отражая множество происходящих процессов. Введение понятия энергии активации необходимо при описании явлений диффузии, вязкости, сорбции и других явлений, связанных с преодолением энергетического барьера. Это дает возможность использовать сходные математические модели для описания термоокислительных, механо-химических и диффузионных процессов старения.

Термоокислительные процессы в органических материалах являются основной причиной их химической деструкции. Они происходят вследствие присутствия в материале адсорбированного кислорода. Процесс окисления согласно теории Семенова происходит в несколько стадий. На первой стадии происходит инициирование молекул тепловой энергией (усиливаемое при механических и радиационных воздействиях), которое может привести к диссоциации и разрыву химических связей с образованием свободных радикалов R. На последующих стадиях происходит взаимодействие активированных фрагментов молекул между собой и с другими молекулами в виде цепной реакции автоокисления: радикалы интенсивно реагируют с кислородом, образуя радикалы перекисей RO2, которые в свою очередь реагируют с исходными молекулами. При высоких температурах и в присутствии катализаторов процессы интенсифицируются. В результате термоокисления в материале происходят структурные изменения (разрывы связей, образование новых связей) и образуются продукты разложения. В конечном итоге в материале возникают микро- и макродефекты, снижающие его прочность.

Математическое описание процесса термоокисления связано со значительными трудностями прежде всего из-за того, что в реакциях очень много компонентов. Большая часть процессов окисления относится к химическим реакциям первого порядка, описываемым кинетическим уравнением dCi/dt = К.С,-,

где С; - концентрация вещества; К; - константа скорости реакции. Решение этого уравнения приводит к зависимости концентрации от времени реакции С; = = C.oei. Все множество изменений концентраций d компонентов оценивают одним интегральным критерием, например кислотным числом углеводородной жидкости

3; = Хт,С, = тХСо,еЧ

где т - коэффициент. Для всего множества справедлива общая зависимость

УУо"; yo = mCoiC>/ (6.1)

где уо - обобщенная константа скорости окисления.

Константу К при элементарной химической реакции определяют по уравнению Аррениуса

K = y4e-w«t (6.2)

где А - постоянная, 1/с; U - энергия активации, Дж/моль; R - универсальная газовая постоянная, ДжДмоль • °С).

Постоянная А при элементарных реакциях характеризует число и характер столкновения молекул, а в общем случае - индивидуальные особенности материала. Из уравнений (6.1) и (6.2) следует, что чем больше энергия активации и, тем меньше при данных условиях константа скорости реакции К (но чем больше U, тем больше Т влияет на К). Для ориентировочной оценки зависимости К{Т) можно использовать правило Вант-Гоффа, согласно которому при повышении Г на каждые 10 К (при прочих равных условиях) К увеличивается в Y раз. Таким образом, если известно значение Ко при То, то при температуре Т

где у = 2...4. Время старения и температура. Время t,

в течение которого накапливается определенная масса у продуктов распада, зависит от темпфатуры Т и энергии




t/To I/T

Рис. 6.1. Зависимость времени старения от температуры

активации. Объединив уравнения (6.1) и (6.2), получим уравнение связи между [/, t и Г:

lgt = lg2,31g(y/yo)-lg+ 2;- (6-3)

При постоянных значениях U, An у/уо уравнение (6.3) выражает линейную зависимость логарифма времени от обратной величины температуры (рис. 6.1), которую можно использовать для ориентировочного прогнозирования времени старения при различных температурах. Чтобы исключить из уравнения (6.3) неизвестные параметры U и А, необходимо экспериментально определить у для нескольких образцов, подвергнутых искусственному термостарению при повышенной температуре. Для этого по кинетическим кривым (рис. 6.2) находят



2,S 101т,К"

Рис. 6.3. Зависимость времени поглощения определенного количества кислорода (q = = 5 мг/г) маслом от температуры

значения tj, Гг, з, соответствующие заданным уэ и по разности Ig - Ig определяют \j для интервала температур Г1...Г2:

V = 2,ЗЯ

-lg(ti/t2). (6.4)

Рис. 6.2. Кинетические кривые накопления продуктов распада во времени при различных температурах Т

Затем по разности Ig t - Ig f i определяют искомое время при температуре Г.

Для углеводородных жидкостей количество продуктов распада определяют по кислотному числу. При применении некоторых методов ускоренного термостарения непосредственно определяют количество кислорода, поглощенного при термоокислении (рис. 6.3). Эти методы, а также методы определения количества газообразных продуктов реакции можно использовать при исследовании термоокисления твердых материалов.

Определение кинетики старения по физико-механическим параметрам. В большинстве случаев старение материалов можно оценивать лишь сравнением физико-механических параметров после испытаний с их начальными значениями. Зависимость коэффициентов К, от времени старения часто соответствует уравнению (6.1), поэтому его используют для прогнозирования сроков предельного изменения параметров. При этом по уравнению (6.4) формально опреде-

ляют энергию активации процесса. Наиболее отработанной является методика прогнозирования сроков хранения резин на основании экспериментального определения остаточной деформации образцов.

Факторы, стимулирующие процесс старения. Радиация. Воздействие потоков излучения как квантового (у-излучение), так и корпускулярного (а-частицы, протоны, нейтроны и т. д.) типа в основном имеет энергетический характер, поэтому стойкость к радиации тесно связана со стойкостью к окислению и деструкции. Установлено, что интенсивность изменения свойств масел, например, зависит от их природы и количества поглощенной энергии [22]. В основе происходящих явлений лежат процессы передачи энергии частиц или квантов излучения взаимодействующим с ними молекулам. Эти первичные акты вызывают образование множества свободных радикалов, однако процесс происходит значительно интенсивнее, чем при химическом окислении и сопровождается резким ускорением цепных реакций окисления. Степень изменений зависит от количества энергии, поглощенной единицей массы вещества, так называемой поглощенной дозы излучения. Стойкость к радиационному облучению некоторых органических уплотнительных материалов приведена в табл. 6.3.

Фотохимические процессы. При действии на органические вещества света и особенно ультрафиолетового излучения происходит поверхностная фотохимическая деструкция, степень которой зависит от длины волны и интенсивности облучения. В результате действия света на поверхности материала меняется структура, твердость, появляется сетка трещин. Единицей дозы поглощенной световой энергии - лучистой экспозиции - является Дж/м.

Микробиологические факторы. До недавнего времени этой проблеме не придавали существенного значения, хотя в практике эксплуатации машин в тро-

Таблица 6.3 Ориентировочная стойкость к радиации органических материалов [6, 22, 35, 89, 94]

Материал

Фторопласт-4

Фторопласт-3

Фторопласт-40 Полиимид ПМ-67 Полиэтилен Резины на основе каучуков СКН

СКФ Масла: нефтяные (основы)

загущенные с антиокислителем

Стойкость к радиации

Недостаточная

Удовлетворительная Повышенная Высокая

Повышенная

Удовлетворительная Недостаточная

Удовлетворительная Недостаточная Удовлетворительная

Предельная доза, Дж/кг(ГЙ)

103 -- 5 10 W

105 108

W W --5- W

пиках были выявлены явленри повреждения резиновых и пластмассовых изделий вследствие развития микроорганизмов (бактерий и грибков).

Существует множество бактерий и грибков, способных существовать в феде органических углеводородных материалов. Все биологические системы, в том числе микроорганизмы, получают энергию за счет окислительных процессов, поэтому развитие микроорганизмов на поверхности уплотнений вызывает интенсивные окислительные процессы при умеренных температурах (18 -40°С, оптимально при 28 -32°С). Эти процессы дополняют химическое окисление материала, которое происходит по всему объему и интенсифицируется при увеличении температуры.

Влияние динамических нагружении. Многие уплотнения при эксплуатации подвергаются интенсивным механическим воздействиям при изменении давления в системе, трении, вибрации и других нагрузках. В результате многократного нагружения в материале возникают и накапливаются повреждения -



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 [ 32 ] 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76