2. Технологические аспекты использования герметизирующих материалов
Функции герметизирующих материалов – тема, находящаяся на стыке герметологии, материаловедения и технологии машиностроения. Наиболее очевидная из дополнительных функций материалов в уплотнениях заключается в смазывании подвижных соединений. Решение задач триботехники с помощью герметизирующих материалов не ограничивается функцией смазывания. Многие из них содержат абразивные или поверхностно-активные вещества и используются в уплотнениях как приработочные элементы, ускоряющие формирование оптимальной для эксплуатации подвижного сопряжения микрогеометрии поверхностей трения. Примером служат материалы на основе резины и абразивных порошков, в парах с которыми металлические детали подвижных уплотнений полируются до зеркального блеска и имеют минимальный износ. Реализация этого эффекта с помощью пластмасс обусловлена поверхностной активностью продуктов механодеструкции макромолекул. Адсорбируясь на металлических деталях, они способствуют пластификации и диспергированию микронеровностей, благодаря чему ускоряется приработка подвижных соединений.
Одна из главных проблем, возникающих при эксплуатации уплотнений, состоит в предотвращении коррозии. С позиций электрохимии уплотнения представляют собой оптимальную для протекания коррозии систему, в которой есть условия для развития практически всех известных видов коррозии. Особую опасность представляет местная коррозия, так как повреждения от нее не распределяются равномерно по всей поверхности детали, а концентрируются на отдельных ее участках, что может значительно уменьшить поперечное сечение и привести к поломке детали при нагружении. Наличие зазоров в герметизируемом соединении делает невозможным равномерный массообмен сред в уплотнении. Это создает благоприятные условия для протекания щелевой коррозии, которая является одним из наиболее опасных видов местной коррозии и основной причиной отказов уплотнений.
Номенклатура герметизирующих материалов в современной технике настолько широка (рис. 5), что позволяет реализовать в уплотнениях все известные методы защиты от коррозии. Герметизирующие материалы практически непроницаемы, поэтому они могут быть использованы для создания механического барьера, отделяющего коррозионную среду от подверженных коррозией элементов уплотнения. Применение в качестве герметизирующих материалов полимеров, керамики и других диэлектриков, обладающих электретным зарядом, позволяет регулировать электродный потенциал металлических деталей уплотнения, переводя их в пассивное состояние. Кроме того, применение ингибированных жидкостей, смазок, пластмасс
Рис. 5 Герметизирующие материалы и их функции
и других веществ дает возможность предохранить герметичные соединения от щелевой коррозии методом ингибиторной защиты. Полимерные материалы применяют для защиты бетонных сооружений от коррозии, кавитации и износа, противокоррозионной защиты емкостей, несущих конструкций и т.д. Наиболее эффективны герметизирующие материалы, с помощью которых удается совместить несколько методов противокоррозионной защиты.
Регулирование температуры герметичных соединений – одна из важнейших технологических задач уплотнительной техники. При эксплуатации уплотнений часто возникает необходимость предотвратить конденсацию и намораживание жидкостей на сопряженных поверхностях деталей путем нагревания последних. Многие подвижные уплотнения нуждаются в охлаждении, чтобы снизить износ и тепловое разрушение материалов в зоне фрикционного контакта. Обе эти задачи удается решить путем регулирования теплоемкости потоков жидкости или газа, омывающих соединение, испарения или конденсации технологических сред, функции которых могут выполнять герметизирующие материалы. Металлы, твердые сплавы, углеродные и другие материалы, имея высокую теплопроводность, могут обеспечивать оптимальную температуру уплотнений.
В технике, как правило, считается благоприятным повышение жесткости соединений. Жесткость, или сопротивление соединений деформации, рассматривают в машиностроении как способность сохранять точность размеров и формы под нагрузкой. Это качество особенно ценно для уплотнений, являющихся прецизионными узлами машин. По отношению к герметизирующим материалам жесткость – антипод герметизирующей способности. Тем не менее в ряде областей техники жесткость герметичных соединений является фактором, обусловливающим их работоспособность. Так, при бурении нефтяных и газовых скважин жесткость соединения бурильных труб стремятся максимально увеличить, восполняя недостаток жесткости используемых материалов с помощью специальных конструктивно-технологических методов.
Жесткость машиностроительных соединений в значительной мере зависит от равномерности распределения контактного давления, т.е. от точности изготовления деталей и монтажа соединений. Заполнение зазоров между деталями герметизирующим материалом предохраняет микронеровности на контактирующих поверхностях от смятия, способствует более равномерному распределению нагрузки и снижению деформации соединений. Поэтому герметизирующие прослойки даже из таких низкомодульных материалов, как цинк и полиэтилен, увеличивают жесткость резьбового соединения стальных труб в 1,5 – 2,5 раза. Аналогичное действие оказывают прослойки вязкой жидкости и газодинамические потоки в зазорах контактных уплотнений. Структура некоторых герметизирующих материалов (герметики, пластичные смазки, магнитные жидкости, расплавы металлов и полимеров) в процессе формирования и эксплуатации герметичных соединений изменяется, что естественно влияет на деформационные характеристики уплотнений. Для достижения гарантированной высокой жесткости контактных уплотнений сопряженные детали выполняют из сверхтвердых материалов, несмотря на трудность их технологической обработки, подверженность хрупкому разрушению, ненадежность в сварных, клеевых и других статически неопределенных конструкциях. Повышение жесткости соединений является важной функцией герметизирующих материалов, которая позволяет решить многие технические проблемы средствами герметологии, не прибегая к дорогостоящим и дефицитным материалам высокой твердости.
Вибрационные колебания снижают ресурс машин, ускоряя износ, заклинивая подвижные и разрушая неподвижные соединения. Схватывание металлических прецизионных пар обусловлено их контактно-вибрационным нагружением с размахом перемещения в пределах геометрической площади контактирования. Возросшие требования к точности и габаритно-массовым характеристикам радиоэлектронной аппаратуры, устанавливаемой на подвижных объектах, обусловили актуальность устранения вибраций, особенно резонансных явлений в элементах аппаратуры. Герметизирующие материалы во многих случаях являются эффективным средством гашения виброколебаний. Демпфирование вибраций герметизирующими материалами, кроме решения технических задач, способствует снижению шума промышленных установок и улучшению условий труда.
Работоспособность многих машин и оборудования обусловлена наличием в их структуре диэлектрических элементов, изолирующих отдельные узлы и пожароопасные участки машин, а также электропроводных цепей для отвода триботоков, статических и атмосферных разрядов. Эти задачи можно решить средствами герметологии, используя имеющиеся в номенклатуре герметизирующих материалов диэлектрические и электропроводные материалы, в частности, силиконовые смазки, конструкционные полимеры, резины, пластмассы, металлы углеродные материалы, а также специальные электропроводные смазки.
Герметизирующие материалы могут выполнять функции технологических элементов при монтаже и эксплуатации уплотнений, рабочего тела в гидросистемах вспомогательных узлов машин, индикатора примесей и загрязнений в герметизируемых средах и т.д.
Конструктивно-технологические формы использования герметизирующих материалов обусловлены многочисленными функциями последних в уплотнениях. Современные герметизирующие материалы эксплуатируются во всех агрегатных состояниях, которые может принимать вещество. Идеальный герметизатор можно представить как рабочее тело, компоненты которого переходят в процессе герметизации из газообразного в жидкое и твердое состояния, упрочняющееся или разупрочняющееся при изменениях перепада давления, температуры, механических воздействий и других условий герметизации.
Самые надежные методы герметизации связаны с использованием герметизирующих материалов в твердой фазе, наименее проницаемых для сред. По структурному признаку твердые материалы разделяют на простые, композиционные и сплавы. Простые материалы состоят из одного химического элемента или соединения и имеют однородную макроструктуру. Сплавы – материалы с однородной макроструктурой, образующейся в результате затвердевания расплава химически разнородных веществ. Последними могут быть металлы, оксиды, органические соединения и др. Композиционные материалы образованы несколькими фазами и характеризуются неоднородной макроструктурой. Материалы со сложной структурой, как правило, более надежны при герметизации и выполняют в уплотнениях больше функций, чем простые материалы. Достоинством композитов, отличающим их от сплавов, является возможность «конструирования» структуры герметизатора в процессе его формирования. Твердые материалы наиболее просты по технологии использования в герметичных соединениях. Они способны выполнять все функции герметизирующих материалов, что в значительной мере обусловлено возможностью их модифицирования конструкторскими методами и множеством конструктивно-технологических форм герметизаторов.
контрольные вопросы
1. Что такое герметизирующий материал?
2. Приведите примеры жидких герметизирующих материалов.
3. Назовите область применения плазмы в качестве герметизирующей среды.
4.Каковы эксплуатационные особенности применения керамических герметизирующих материалов?
5.Перечислите сопутствующие функции, выполняемые герметизирующими материалами в процессе герметизации.