Часто возникают ситуации, когда необходимо обеспечить герметичность механизма. Для этой цели применяются уплотнительные устройства. Они предотвращают или уменьшают утечку газа, жидкости, создавая преграду в местах соединения деталей. В трубопроводной арматуре широко используются контактные уплотнения, которые благодаря плотному прилеганию к соответствующим сопряженным поверхностям, обеспечивают требуемый уровень герметизации.
Уплотнительные устройства такого типа обладают наиболее высокой надежностью, однако их рабочий ресурс весьма ограничен. Эффективность контактных уплотнителей во многом зависит от правильного выбора смазочных материалов для их обработки.
Во избежание преждевременного износа и снижения герметичности из-за высоких давлений уплотнения обрабатывают пластичными смазками. Такие материалы повышают герметизирующие свойства и снижают трение, тем самым увеличивая срок службы уплотняющих деталей.
Зачастую в уплотнительных устройствах встречаются такие пары трения, как полимер-полимер, металл-эластомер или металл-полимер. Благодаря предварительному поджатию, а также за счет рабочего давления резиновые и пластмассовые уплотнители плотно прилегают к сопряженным элементам, не допуская зазоров в процессе эксплуатации.
В качестве сырья для производства уплотнений широко используются эластомеры. Они принимают форму сопряженных деталей и подвержены прилипанию, что затрудняет их дальнейшую эксплуатацию и приводит к ускоренному выходу уплотняющих устройств из строя.
Налипание резиновых манжет в начале работы механизма может нарушить целостность их острой запирающей кромки. Коэффициент трения покоя в этом случае достигает 1,0…1,2. Для решения данной проблемы необходимо использовать смазочные материалы, которые препятствуют адгезии.
Вследствие повреждения и местного защемления уплотнение часто разрывается и происходит прорыв рабочей среды. Под воздействием отрицательных температур многие эластомеры отвердевают, и при работе механизма начинается утечка. В процессе нагревания данный материал также теряет часть упругих свойств и становится более пластичным. В связи с этим необходимо дополнительное смазывание, которое снизит трение и повысит герметичность. Кроме того, уменьшается потребность в мощности привода, что позволяет сделать его более компактным.
Пластичные смазочные материалы для уплотнений должны обладать адгезией, повышенными герметизирующими свойствами и устойчивостью к перекачиваемым средам. Они используются при малых скоростях перемещения обрабатываемых узлов. В условиях скольжения такие пластичные смазки должны эффективно уменьшать фрикционный износ в целом и обеспечивать минимальный разброс между коэффициентами трения при движении и в состоянии покоя. Это позволяет предотвратить рывки в процессе работы.
Благодаря реологическим характеристикам тонких смазочных слоев, а также физико-химическим процессам, протекающим на контактных поверхностях, смазочные материалы для уплотнений способны разделять сопряженные элементы и оставаться в зоне контакта, несмотря на нагрузки и давления рабочей среды.
Антифрикционные свойства и герметизирующая способность смазки определяются ее компонентами (базовым маслом, загустителем, присадками и наполнителями). Сегодня во многие уплотнительные смазочные материалы вводят высокодисперсные твердые добавки, которые улучшают герметизацию и способствуют стабилизации трения.
При выборе смазки для уплотнений следует учитывать следующие характеристики:
- Диапазон рабочих температур
- Коэффициент трения в заданной паре материалов
- Устойчивость к перекачиваемой среде
- Совместимость с материалами уплотнений
- Совместимость со многими материалами
После контакта со смазочным материалом происходит набухание или усадка уплотнений. Первое обусловлено проникновением в материал детали компонентов смазки и зависит от их химической структуры. Усадка, как правило, является результатом утраты пластификатора. Следует учитывать, что эти два процесса оказывают непосредственное влияние на механические характеристики эластомеров (модуль упругости, предел прочности на растяжение и твердость). Однако допускаются незначительные набухания (до 8 %) или усадки (до 4 %).
При выборе уплотнительной смазки необходимо проверить ее совместимость (а именно, базового масла в составе) с материалом уплотнения.
Следует помнить, что по этому параметру масла высокой степени очистки более предпочтительны, чем обычные минеральные. Помимо этого, увеличение вязкости масляных жидкостей снижает вероятность набухания материалов уплотнений.
Полиальфаолефины (ПАО) представляют собой синтетические углеводородные масла. Они так же совместимы с эластомерами, как и минеральные рабочие жидкости высокой степени очистки.
Кроме того, большинство масел на силиконовой основе ввиду особой химической структуры обладают очень хорошей совместимостью с материалами уплотняющих деталей.
Компания "Моденжи" и компания "Эффективный Элемент" разработали специальные смазочные материалы MODENGY и EFELE для обслуживания уплотнений.
EFELE SG - 391 на основе полиальфаолефина и EFELE SG - 393 с политетрафторэтиленом работают при температуре от -40 до +160 °С, устойчивы к воздействию воды и пара, имеют пищевой допуск NSF H1.
Пластичная смазка EFELE SG-391 обладает пищевым допуском NSF H1, высокой водостойкостью и хорошими антикоррозионными свойствами. Она широко применяется при обслуживании узлов трубопроводной арматуры.
Смазка EFELE SG-393 с пищевым допуском NSF H1 обладает отличными уплотняющими свойствами и высокой водостойкостью. Она используется для обслуживания уплотнений пневмо- и гидросистем, промышленной арматуры.
Для кардинального снижения трения в уплотнительных устройствах российская компания «Моденжи» разработала антифрикционные твердосмазочные покрытия на основе высокодисперсного политетрафторэтилена (ПТФЭ) – MODENGY 1012 и MODENGY PTFE - A20.
Составы наносятся на резиновые элементы методами окрашивания и быстро полимеризуются при комнатной температуре. Сухими «на отлип» они становятся максимум за 8 минут, полностью отверждаются и демонстрируют готовность к эксплуатационным нагрузкам – за 30 минут.
Полимеризовавшиеся покрытия не выделяют токсичных испарений и не вредят окружающей среде, сохраняют свои свойства при температурах от -50 до +130 °С.
Характерной особенностью MODENGY 1012 является водная основа. Это позволяет применять покрытие для тех видов резин, которые разрушаются под воздействием органических растворителей.ПТФЭ-материалы MODENGY не смываются водой, что очень важно в условиях работы уплотнительных устройств арматуры трубопроводов. Покрытия такие же эластичные, как и резина, поэтому не трескаются и не отслаиваются в процессе эксплуатации.
Составы поставляются полностью готовыми к применению в удобных упаковках 200 г, 600 г и 4,5 кг. MODENGY PTFE-A20 выпускается также в форме аэрозоля, что особенно актуально при необходимости обработки участков небольшой площади.
Чтобы сравнить интенсивность трения уплотнительных устройств с покрытиями и без, был проведен ряд испытаний. Измерялись коэффициенты трения покоя и скольжения между уплотнениями и сопряженными с ними металлическими поверхностями.
Результаты измерений были получены следующие.
На уплотнениях без покрытия коэффициент трения покоя (fп) составил 1,12, скольжения (fс) –1,0.
Элементы с покрытиями MODENGY продемонстрировали намного меньшие цифры. MODENGY 1012 обеспечило гидроуплотнениям fп 0,2 и fс 0,24, MODENGY PTFE-A20 – fп 0,18 и fс 0,2.
Отечественные покрытия MODENGY 1012 и MODENGY PTFE-A20 позволяют создавать на поверхности резиновых уплотнений трубопроводной арматуры устойчивый к истиранию разделительный слой, который существенно уменьшает потери на трение (в 5 и более раз). Это позволяет повысить надежность работы, ресурс и энергоэффективность всей системы.
Покрытия просты и технологичны в нанесении – все работы можно выполнять с минимальным набором инструментов и непосредственно на объекте.
В рамках решения задачи оптимального выбора смазки и технологии обработки контактных поверхностей выполняются необходимые расчеты, а также проходят лабораторные и стендовые испытания на базе ведущих научно-исследовательских лабораторий. В настоящее время в научно-исследовательской лаборатории (НИЛ) «Триботехника» Брянского государственного технического университета проводятся обширные исследования металлополимерных пар трения.