Смазка для узлов трубопроводной арматуры в парах трения резина-металл
Смазка для узлов трубопроводной арматуры в парах трения резина-металл

Около 75 % отказов узлов трубопроводной арматуры связаны с повышенным трением в уплотнениях. Результаты испытаний свидетельствуют, что специальные смазочные материалы для пар трения резина-металл значительно сокращают количество таких отказов.

1. Введение
2. Особенности условий трения
3. Материалы Molykote для резинометаллических пар
4. Результаты испытаний
5.Заключение

 

1. Введение

В уплотнительных устройствах различного оборудования часто встречаются пары трения резина-металл.  В частности, они широко применяются в кольцевых уплотнениях трубопроводной арматуры и пневмоприводов. Проектирование уплотнительных устройств осложняется необходимостью решения комплекса противоречивых задач.

С одной стороны, необходимо максимально снизить потери на трение. С другой – одновременным обеспечить заданную герметичность и ресурса узла. Надежная герметизация осуществляется за счет плотного прилегания уплотняющих резиновых и металлических поверхностей. Однако такие уплотнения недолговечны, так как при движении их элементы вынуждены преодолевать значительные силы трения.

Эффективность пар трения резина-металл повышается применением при обслуживании  специальных смазочных материалов.

 

2. Особенности условий трения

Мягкие резиновые уплотняющие детали обеспечивают высокие герметизирующие характеристики. За счет поджатия к сопряженным поверхностям они препятствуют появлению зазоров, по которым может проходить утечка.

Рис. 1. Внешний вид повреждений поверхности резиновой детали

При эксплуатации уплотнений распространенными проблемами являются прилипание резины к металлу, выдавливание резины, необходимость приложения значительных усилий при страгивании подвижных частей (коэффициент трения покоя может достигать величин 1,0…1,2). При этом возможны повреждения резиновых деталей (см. Илл. 1).

Еще одна распространенная проблема – эксплуатация в широком диапазоне температур.

При отрицательных температурах твердость резиновых элементов возрастает, что препятствует плотному прилеганию к сопряженным поверхностям. При нагреве резина, наоборот, становится  более пластичной и теряет часть упругих свойств.

Для уменьшения силы трения в резинометаллической системе стремятся улучшить качество металлической поверхности путем ее полирования. Однако с повышением качества поверхности растет площадь контакта, что приводит к увеличению коэффициента трения.

Специальные смазочные материалы в парах трения резина-металл выступают в качестве разделительной среды. Они должны повышать герметичность, препятствовать адгезии, снижать трение и мощность, необходимую на привод устройств. Еще одной важной функцией таких материалов является сокращение разброса между коэффициентами трения скольжения и покоя. Это позволяет устранить скачкообразное движение и прилипание, характерные для пар трения резина-металл.

Выбор таких материалов является достаточно сложной инженерной задачей, которая должна решаться только в комплексе с учетом процессов трения и изнашивания, а также условий эксплуатации для конкретного применения

 

Основные критерии при выборе пластичной смазки:

  • диапазон рабочих температур
  • устойчивость к рабочей среде
  • коэффициент трения в заданной паре материалов

При выборе пластичной смазки необходимо также анализировать ее совместимость с конкретным материалом уплотнения. Для пар трения резина-металл решающую роль играет базовое масло. Например, минеральные масла совместимы лишь с некоторыми типами резин и не вызывают их набухания или усадки.

Современные синтетические масла на основе силиконов (полидиметилсилоксаны, полифенилметилсилоксаны, фторсиликоны) совместимы с большинством резин. Они образуют на поверхности уплотнений сплошной разделительный слой, придают резине высокие антифрикционные и антиадгезионные свойства, защищают уплотнения от старения и агрессивных воздействий окружающей среды, облегчают монтаж. Силиконовые масла отличают высокий индекс вязкости, термическая и окислительная стабильность, химическая стойкость. 

Именно эти свойства позволяют широко применять силиконовые масла и смазки на их основе в различных уплотнительных устройствах трубопроводной арматуры в широком диапазоне температур от -70 оС до +230 оС, в вакууме и в условиях воздействия химически агрессивных сред.

 

3. Материалы Molykote для резинометаллических пар

Компания Dow Corning, пионер и мировой лидер в области химии силиконов, разработала серию силиконовых смазочных материалов Molykote, включающую в себя несколько десятков  масел,  пластичных смазок и компаундов. Основные свойства и характеристики некоторых из них приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные свойства и характеристики материалов Molykote для пар резина-металл

Материал

Состав

Диапазон рабочих температур, °С

Характерные особенности

Наименование

Базовое масло

Загуститель

Пластичные смазки

Molykote PG-21

ПДМС

Литиевый комплекс

-50…+190

Оптимальный баланс свойств, водостойкость

Molykote 33 Medium

ПФМС

Литиевое мыло

-73…+204

Морозо- и термостойкость

Molykote 55 O-Ring

ПФМС / эфир

Литиевое мыло

-65…+175

Применение для смазывания кольцевых уплотнений в широком диапазоне температур

Molykote 3451

ФС

ПТФЭ

-40…+232

Устойчивость к химически агрессивным средам

Molykote 3452

ФС

ПТФЭ

-31…+232

Устойчивость к химически агрессивным средам

Силиконовые компаунды

Molykote G-5511

ПДМС

ПТФЭ

-40…+200

Высокая несущая способность, применение в арматуре систем водоснабжения

Molykote 111

ПДМС

Кремнезем

-40…+204

Герметизирующая способность

Dow Corning 4

ПДМС

Кремнезем

-40…+200

Электроизоляционные свойства

Dow Corning 7

ПДМС

Кремнезем

-40…+204

Разделительные свойства

Масла

Molykote Separator Spray

ПДМС

-

-40…+200

Разделительные свойства

ПДМС – полидиметилсилоксан;
ПФМС – полифенилметилсилоксан;
ФС – фторсиликон;
ПТФЭ – политетрафторэтилен.

Наиболее устойчивы к топливу и растворителям пластичные смазки Molykote 3451 и Molykote 3452 на основе фторсиликонового масла и политетрафторэтилена в качестве загустителя и антифрикционного наполнителя. Эти материалы широко применяются в нефтехимической промышленности.

Пластичная смазка Molykote 55 O-Ring отличается низким коэффициентом трения в паре металл-резина и термостойкостью. Может применяться в системах быстрого срабатывания, пневматических устройствах.

Рис. 3. Силиконовый компаунд Molykote 111Силиконовые компаунды (илл. 3), обладая уникальными сочетаниями свойств, в последнее время приобретают все большую популярность. Композиции из базового полидиметилсилоксанового масла загущены твердым высокодисперсным порошкообразным загустителем.

Главная отличительная особенность компаундов – способность одновременно герметизировать и смазывать соединения, одновременно сохраняя их подвижность. Эти материалы химически инертны и безопасны для здоровья человека, поэтому могут использоваться в системах питьевого водоснабжения, в пищевой промышленности и т.д. (илл. 4). Компаунды характеризуются хорошими электроизоляционными свойствами, широко применяются для повышения герметичности электрических контактов и разъемов, в том числе для монтажа подводных электрических коммуникаций.

Рис. 4. Применение силиконового компаунда Molykote 111 при сборке дискового затвора

Инженеры ATF тесно сотрудничают со специалистами промышленных предприятий.  В рамках этих работ выполняется комплекс работ по выбору смазочного материала и технологий предварительной обработки контактных поверхностей, проводятся необходимые расчеты, стендовые и лабораторные испытания.

Cбор, систематизация и анализ информации по триботехническим свойствам материалов, опыту их применения в различных условиях, осуществляются с помощью  созданной ATF информационной системы. Это позволяет существенно ускорить поиск решений конкретных триботехнических задач и повысить надежность полученных результатов.

Некоторые виды работ ATF производит совместно ведущими научно-исследовательскими центрами и лабораториями. Так, в настоящее время  на базе научно-исследовательской лаборатории «Триботехника» Брянского государственного технического университета проходят комплексные исследования резинометаллических пар трения.

 

4. Результаты испытаний

В ходе испытаний создавалось высокое контактное давление, которое приводило к созданию между контактирующими поверхностями тонкой граничной пленки смазки. По эффективности этой пленки отслеживались влияние силиконовых смазочных материалов Molykote на тенденцию прилипания резинометаллической пары в состоянии покоя.

Некоторые результаты испытаний трибологических свойств при смазывании стали в паре с резинами различных видов приведены в табл. 2.

Таблица 2. Результаты испытаний резинометаллических пар по определению коэффициентов трения покоя в среде воды при использовании различных смазок

Марка резины

Марка смазки

Рабочая среда

Коэффициент трения покоя сразу после нагружения f

Коэффициент трения покоя после нагружения и выдержки 24 ч f24

38-ПС-04

Без смазки

Вода

0,81

0,97

38-ПС-04

Dow Corning 7

Вода

0,10

0,25

38-ПС-04

Molykote PG-21

Вода

0,09

0,18

38-ПС-04

Molykote Separator Spray

Вода

0,15

0,36

АН-140

Без смазки

Вода

0,25

0,47

АН-140

Dow Corning 7

Вода

0,14

0,33

АН-140

Molykote PG-21

Вода

0,12

0,27

АН-140

Molykote Separator Spray

Вода

0,10

0,36

ИРП 1068

Без смазки

Вода

0,38

0,59

ИРП 1068

Dow Corning 7

Вода

0,10

0,25

ИРП 1068

Molykote PG-21

Вода

0,10

0,19

ИРП 1068

Molykote Separator Spray

Вода

0,11

0,33

Н-409

Без смазки

Вода

0,25

0,42

Н-409

Dow Corning 7

Вода

0,10

0,28

Н-409

Molykote PG-21

Вода

0,07

0,23

Н-409

Molykote Separator Spray

Вода

0,13

0,47

 

Из таблицы 2 видно, что смазывание пар трения силиконовыми материалами Molykote значительно снижает коэффициент трения покоя как сразу после нагружения, так после выдержки 24 ч.

На приведенных ниже диаграммах рис. 4 (а, б) показаны усредненные для разных типов резин значения коэффициентов трения покоя f и f24 смазочных материалов Molykote.

Рис. 4. Значения коэффициентов трения покоя f сразу после нагружения (а) и после выдержки в нагруженном состоянии в течение 24 часов f24 (б)

 

5. Заключение

Стоимость смазок, как правило, несоизмеримо меньше стоимости всего узла, однако их применение способствуют оптимизации эксплуатационных свойств резинометаллических пар трения, повышая их герметичность, энергоэффективность и ресурс. Тем не менее около 75 % отказов узлов трубопроводной арматуры вызваны проблемами, связанными с повышенным трением в уплотнениях. Правильный выбор смазочных материалов с учетом всех конструктивных особенностей и эксплуатационных факторов способен значительно сократить количество таких отказов. Это подтверждают результаты испытаний, приведенные в настоящей статье.

 

Другие статьи