то

500>SO

п мм

10 Пй,МПа О

Рис. 1.39. Допускаемые утечки воздуха (а) и воды (б) для трубопроводной арматуры по ГОСТ 9544 - 75 (для О, < 100 мм-сплошные линии, для Dy > 100 мм - штриховые линии)

герметичность погрешности формы седла и клапана, чаще всего изготовляемых из металла. Допускаемые утечки б, см/мин, устанавливает ГОСТ 9544 - 75 в зависимости от условного диаметра Dy, мм, трубопровода:

для воздуха Q = KnD (р л- 2);

для воды б = KmDy,

где К - коэффициент, зависящий от степени опасности утечек среды; и = = 7,5 • 10"*, ш = 5 10" для вентилей; /l = 2,6•10- т=1,6-10-* для остальной арматуры. ГОСТ 9544 - 75 рекомендует три класса негерметичности: / - арматура взрывоопасных и токсичных сред (К = I); и - арматура пожароопасных сред (К =2); III - арматура для остальных сред (К = 10).

Нормы б заданы табличным способом для Dy = 3...400 мм для вентилей и Dy = = 3...2000 мм для остальной арматуры; для газов р = 0,1...20 МПа. Примеры допускаемых утечек воздуха для вентилей класса I показаны на рис. 1.39, а; утечек воды для вентилей разных классов (/-/Я)-на рис. 1.39, б.

Норма класса I по ГОСТ 9544-75 для воды соответствует примерно классу 3 - 1 (см. табл. 1.8), а зависимости Q(p) и б W ~ уравнению (1.56) при п = 1,5 и s « 1.

Нормы негерметичности для УВ. Для

манжет согласно ГОСТ 8752 - 79 утечки находятся в пределах классов от 2 - 1 до 3 - 1 (см. табл. 1.8). Такие же нормы уста-

Рис. 1.40. Кривые изменения утечек при эксплуатации уплотнения

новлены для уплотнений валов большинства гидромашин, например, для насосов и гидромоторов (ГОСТ 13823 - 78).

Нормы негерметичности УПС. Для резиновых манжет гидравлических устройств oбычнoJ)eглaмeнтиpyют предельные значения Ктаи см/м [см. рис. 1.40 и уравнения (1.42) - (1.43)] после наработки L„3x, км. ГОСТ 14896 - 84 устанавливает в конце ресурса удельные утечки Fmax = 0,2 см/м. Начальные удельные утечки Ко не регламентированы и обычно находятся в пределах классов 2-1...2 -2 (см. табл. 1.8).

Для резинотканевых шевронных манжет ГОСТ 22704-77 устанавливает в конце ресурса удельные утечки Ках = = 0,5 см/м (в процессе работы приходится периодически подтягивать нажимную буксу).

Для УПС с фторопластовыми кольцами и гофрированной пружиной ГОСТ 23817-79 устанавливает Q = = 50 cmVmhh при Ар = 21 МПа и D = 100 мм. Соответствующие удельные утечки при Ар = 1 МПа Q = = 125 mmV(m . с) характерны для класса 4 - 2. Такие УПС можно применять только для внутренних полостей.

Для металлических разрезных колец гидросистем станков согласно ОСТ 2 А54-1 - 72 установлена предельная утечка б = 500 ммДм. с), что соответствует классу 4 - 2 при Ар = 1 МПа. Их применяют для герметизации внутренних полостей цилиндров.

Пример 1. Определить диффузионные потери через диафрагму (см. рис. 1.6) площадью S = 100 см и толщиной / = 0,2 см, отделяющую полость с маслом от атмосферы. Время и и температура Э,: Ji = 5 лет при 9i = 20 °С; tz = 1000 ч при 92 = 60 "С; fj = 100 ч при Эз = = 90°С.

Для расчета используем формулу Qs = DS/l, в которой коэффициент диффузии Djo = = 10"cmVc. По формуле (1.57) находим Deo = 12 • 10-и D,o = 40 • 10-° смс. Подставив значения D, S и /, получим объем утечки Гь Уг, Уз за время соответственно ti = 15,8 • 10 с, t2 = 3,6 • 10* с; t, = 3,6 • 10 с по формуле Г, = Q,tr

П = (10-» 10V0,2) 15,8.10 = 7,8 см V2 = (12 • 10-" 100,2) 3,6 • 10* = 2,2 см; Кз = (40 -10- " • 10,2) 3,6 • 10 = 0,7 см

Общие потери жидкости за 5 лет эксплуатации У= 10,7 см

Пример 2. Определить объем утечек через уплотнение штока. В качестве уплотнения использовано резиновое кольцо с протектором (см. рис. 1.36), периметр которого В = jiD = 0,1 м. Ход штока L= 0,1 м, скорость скольжения vi = 0,05 м/с, давление р = = 10 МПа, вязкость масла ni = 22 мПа. с. При нормальной температуре утечки соответствуют классу 2-2 (см. табл: 1.8): = = 0,05 см7м.

Определим объем утечек за один (Ki) и 10* (V) двойных ходов при температуре 20 °С:

Ki = 0,5kDLK= 0,5 • 0,1 • 0,1 • 0,05 =

= 2,5-10-* см V= Vi 10* = 2,5 cм

Объем утечек при температуре -20°С и скоростях скольжения t>i = 0,05 м/с и V2 - = 0,5 м/с вычислим по формулам (1.41) - (1.43). При изменении \i к v в уравнениях меняется

только член \/\iiVi, поэтому для Ц-20 =

= 130 мПас:

при vi = 0,05 м/с Г-20 = Уго

Ц-201l

= 2,5 = 6,1 см

430 0,05 22 • 0,05

при 1)2 = 0,5 м/с

К-20=Г20

\l-20V2

= 2,5

иго"!

= 19,1 cм

/130 0,5 22 • 0,05

Пример 3. Определить вероятные утечки Q в партии манжетных уплотнений УВ для вала диаметром D = 75 мм: в начале эксплуатации (со = 150 с-; р = 0,1 МПа; масло) при Э = 20..50°С и Э = -40°С. Найти утечки, при которых уплотнения подлежат замене.

Выбираем среднестатистические нормы удельных утечек в соответствии с табл. 1.8 - класс 2-2: Q < 0,5 мм/(м • с). При D = 75 мм B = nD = n- 0,075 = 0,235 м. Тогда QBQ = = 0,117 ммс, или 0,42 смч. Для нового изделия назначаем допускаемые утечки е = 0,5 см/ч.

При предельно низкой температуре (Э = = - 40°С) полагаем Q по нормам следующего класса 3 - 1, учитывая тяжелые условия работы резины при запуске УВ: Q< < 2,5 ммДм. с). Следовательно, Q < 2,1 см/ч.

Замену УВ планируем при увеличении Q до норм класса 3-2: Q = 10 мм7(м.с)-капельные утечки; Q = 8,4 см/ч.

Комплексные критерии качества уплотнений [35, 52, 100]. Для объективного сравнения эксплуатационных преимуществ уплотнений различных групп необходимы критерии, оценивающие комплекс качественных показателей. Важнейшими из них являются: герметичность (б для У В и УН, К для УПС), наработка (t, ч, для УВ; L, км, для УПС), диапазон рабочих температур АЭ = 9i - &2 (для УН вместо наработки берут срок эксплуатации в годах).

По аналогии с парами трения для уплотнений подвижных соединений применяют следующие критерии:

условнаяудельнаямощностьна уплотняющем элементе N = pv, Вт/м;

условная удельная работа до предельного износа уплотнителя А = 3,6 Nt (для УВ) или А =pL (для УПС), Дж/м

удельные мощность потерь Nf=fN, Вт/м, и работа Af = fA, Дж/м.

Требование высокой герметичности находится в противоречии с требованием наибольшей наработки уплотнения. Ресурс высокогерметичных уплотнений обычно ниже вследствие более интенсивного изнашивания и трения. Для одновременного учетаj)chobhbix показателей б, А, АЭ (или V, А, АЭ) предложен комплексный критерий - наработка на единицу утечки [35, 52, 100], достаточно

Общие вопросы уплотнительной техники

Полимеры

Таблица 1.9

Режимы эксплуатации и критерии сравнения для уплотнений различных групп

объективно отражающий соверщенство подвижных уплотнений:

(1.60)

А9 100

dA (т)

100 IjQHi

~ 100 K(m),

(1.59)

где Д9/100 - отношение, характеризующее температурный диапазон работоспособности уплотнения; А{т). Q{m) - текущие значения показателей; т = = Ашах.ДЛЯ УВ, m = L/L„,, для УПС (tmax> max - прсдсльная нзработка).

Увеличение утечек (рис. 1.40) от начального значения Qo (Ко) до максимального бтах (Кпах) ПО МСрС ОТНрСИТеЛЬНОЙ

наработки m для качественно изготовленного уплотнения подчиняется степенной зависимости

2 = ёо + AQm"; F= Vo + AVm.

На кривых Q{m) или V(m) можно выделить два участка (соответственно две стадии работы уплотнения):

I - нормальное малоинтенсивное изнашивание и Jeзнaчитeльнoe увеличение утечек ( « бо, П « Ко); II - интенсивное увеличение утечек до Gmax (КдоКтах), при котором уплотнение подлежит замене (значения Q для УВ для УПС регламентированы стандартами на уплотнения).

При неблагоприятных условиях эксплуатации (при нарушении режимов смазки) в уравнении (1.60) и % 3 и m 0,5; при благоприятных условиях (жидкостная смазка) и > 6 и w « 0,7...0,8. После упрощений уравнения (1.59) соответственно для УВ и УПС принимают вид

с = к

-; с = к

ЛЭ А

100 У

где к - коэффициент интенсивности увеличения утечек за время fmax(i-max)-

Значения критерия с при среднестатистических показателях режима (v, р).

наработке tmax(imax) И удельной утечке

Gmax(Vmax) ДЗНЫ В ТЗбл. 1.9.

Для приближенной оценки критерия с коэффициент к = mA/Qo + (I ~ т) А/ /бгаах, где для работь! уплотнения на стадии I принимают Qo (или Vo) по классу 2-2, т = 0,5...0,8 (при m = 2/3 к = 3,6).

Глава 2

МАТЕРИАЛЫ УПЛОТНЕНИЙ И РАБОЧИЕ ЖИДКОСТИ ГИДРОСИСТЕМ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ

2.1. Полимерные уплотнительные материалы. Определения, основные физико-механические свойства

Полимерами называют высокомолекулярные соединения, в которых регулярно чередуются большое число атомных группировок, соединенных химическими связями в полимерную цепь - макромолекулу. Исходное вещество называют мономером, многократно повторяющиеся в цепи группировки R и Р - составными звеньями; число п звеньев в цепи - степенью полимеризации; группы, находящиеся на конце цепи, - концевыми группами. Молекулярная масса полимера М равна произведению молекулярной массы Mr звена на степень полимеризации п: М = mMr.

Название полимеров обычно состоит из названия мономера с приставкой «поли» (например, продукт полимеризации этилена - полиэтилен [-СН2- -СНг-]„). Структурные формулы некоторых звеньев полимеров даны в табл. 2.1.

Механические свойства полимерных материалов обусловлены строением их макромолекул и характером межмолекулярных связей. По структуре макромолекул полимеры подразделяют на следующие основные классы.

Линейные полимеры имеют простое цепное строение (рис. 2.1, а).

Разветвленные полимеры представляют собой длинную главную цепь с боковыми ответвлениями (рис. 2.1,6). Сетчатые (сшитые) полимерные ма-

I-----R - R - R - R-R-

Y-R-R-R-R-----R~ P-R-R-

Рис. 2.1. Строение полимеров:

а - линейные; б - разветвленные; в - сетчатые; г - блок-сополимеры; д - привитые сополимеры

Таблица 2.1

Наименование и строение звеньев полимеров по ГОСТ 24888 - 81

териалы построены из длинных цепей, соединенных поперечными химическими связями в единую пространственную структуру (рис. 2.1, в). Наиболее характерным примером сетчатых полимерных материалов являются эластомеры - вулканизованные каучуки, основа резин. Молекулы поперечно сшитых полимерных материатюв не могут неограниченно перемещаться одна относительно дру-

гой, поэтому применительно к ним понятие макромолекулы теряет смысл.

Сополимерами называют продукты полимеризации двух или нескольких видов исходных мономеров, образующих линейные или разветвленные макромолекулы. Линейные сополимеры, в которых звенья каждого мономера располагаются достаточно длинными блоками (рис. 2.1, г) называют регу-

лярными блок-сополимерами. Нерегулярными линейными сополимерами называют полимеры, в которых звенья R, Р беспорядочно расположены в цепи макромолекулы. Разветвленные сополимеры, главная цепь которых состоит из одних звеньев (R), а боковые ответвления - из других (Р), называют привитыми сополимерами (рис. 2.1, д). Сочетанием положительных свойств отдельных компонентов блок-сополимеров и привитых сополимеров могут быть получены новые ценные свойства (например, уда-ропрочность в сочетании с прозрачностью).

Мономерные звенья могут чередоваться в макромолекуле упорядоченно или неупорядоченно, что существенно влияет на свойства полимера. Большинство полимеров построено из несимметричных мономерных группировок, в которых в зависимости от расположения атомных группировок выделяют «голову» и «хвост». В регулярных полимерах наблюдается монотонное чередование звеньев, соединенных по типу либо «голова к хвосту», либо «голова к голове» с обозначением цифрами положения групп атомов. Например, тип соединения звеньев

-СНг-С=СН-CH2-l 2 3 4

-СНг-С=СН-СНа- 12 3 4

называют «голова к хвосту, положение 1.4». Тип соединения

-СНг-СН=С-СНг-4 3 2 1

-СН 2-С=СН-СНг- 12 3 4

называют «голова к голове, положение 1.1».

Физические состояния полимеров. В зависимости рт температуры и механических воздействий полимеры могут находиться в жидком или твердом агрегатном состоянии, аморфном или кристаллическом фазовом состоянии. Существует структурное и термодинамическое понятие фазы. С точки зрения структуры фазы различаются порядком во взаимном расположении молекул, от которого зависит энергия межмолекулярного взаимодействия и подвижность элементов структуры. В жидком фазовом состоянии (см. подразд. 1.2) находятся жидкости и аморфные (стеклообразные) твердые тела. Для них характерно упорядоченное расположение частиц на расстояниях, соизмеримых с размерами молекул (о такой структуре говорят: «имеет ближний порядок»). Для кристаллического состояния полимеров характерно наличие дальнего порядка в расположении их макромолекул. Структуру стеклообразных полимеров рассматривают как переохлажденное структурно-жидкое состояние. Оно термодинамически не стабильно, но практически вполне устойчиво. Некоторые полимеры отличаются способностью перехода из этого состояния в частично кристаллическое со смешанной структурой.

В термодинамике фазой называют совокупность изолированных поверхностью раздела гомогенных частей гетерогенной системы, каждая из которых имеет определенные термодинамические свойства. Переходы из одного фазового состояния в другое связаны с изменением взаимного расположения молекул и термодинамических свойств вещества.

Важнейшей характеристикой полимеров являются деформационные свойства, по которым их состояние подразделяют на вязкотекучее, высокоэластическое и аморфное (стеклообразное).

Примеры застеклованных полимеров (термопластов): полиметилметакрилат