Наиболее распространенными уплотнительными устройствами в машиностроении являются манжетные и кольцевые уплотнения. Они широко используются в трубопроводной арматуре, погружных насосах, на валах, в подшипниках и других узлах с парами трения "резина-металл". Конструкция многих винтовых насосов также предусматривает металлический ротор, который при вращении контактирует с резиновой оболочкой.
Упругость и эластичность конструкционных материалов позволяет таким уплотнениям плотно прилегать к металлическим поверхностям и обеспечивать хорошую герметизацию. В то же время при взаимном перемещении элементов большое количество энергии уходит на преодоление сил трения. Это явление приводит к повышенному износу и деформациям резиновых элементов, нарушению герметичности сопряжений и снижению ресурса оборудования в целом.
При проектировании и изготовлении уплотнительных устройств используются современные технологичные материалы. Это позволяет решить две противоречивые, на первый взгляд, задачи – обеспечить их максимальную эффективность и одновременно снизить потери на трение.
Механизм трения в парах "резина-металл"
Одной из проблем, возникающих при работе резиновых уплотнений, является прилипание резины к сопряженным металлическим поверхностям. В состоянии покоя коэффициент трения резины по металлу достигает огромных значений – f=1,0…1,2. Для страгивания деталей в этом случае необходимо преодолеть силу трения и приложить к уплотнению значительные усилия. При этом резина выдавливается в зазоры, и на поверхности уплотнения часто образуются характерные повреждения (илл. 1). В дальнейшем они могут привести к разрыву материала и разгерметизации узла.
Илл. 1. Внешний вид повреждений резиновой детали, вызванных прилипанием к металлической поверхности
Величина силы трения резины по металлу прямо пропорциональна коэффициенту трения, который, согласно молекулярно-механической теории, имеет механическую и молекулярную составляющие. Механическая возникает вследствие взаимного перемещения и деформации контактирующих поверхностей, имеющих миконеровности. Молекулярная составляющая обусловлена силами притяжения молекул конструкционных материалов.
В резино-металлических парах преобладает механическое трение. Снизить его можно путем шлифования, полирования или других методов финишной обработки металлической поверхности. Сглаживание микронеровностей увеличивает площадь площадь контакта деталей, однако в этом случае начинает преобладать молекулярное трение.
Таким образом, снижение трения в парах "резина-металл" является сложной инженерной задачей. Для ее решения существует современная технология твердой смазки, которую реализуют антифрикционные твердосмазочные покрытия MODENGY.
Принцип работы покрытий
Антифрикционные твердосмазочные покрытия формируют на поверхности металлической детали композиционный слой толщиной около 15-25 мкм. Связующее вещество прочно сцепляется с основой и образует полимерную матрицу, ячейки которой заполнены частицами твердых смазочных материалов – дисульфида молибдена, политетрафторэтилена, графита и др.
При нанесении покрытия микронеровности поверхности заполняются и выравниваются, увеличивается ее опорная площадь (илл. 2). Слоистая структура материала обеспечивает малое сопротивление сдвигу. При этом снижается механическая составляющая коэффициента трения.
Илл. 2. Покрытие на поверхности детали
Образовавшийся защитный слой препятствует прилипанию резины к металлу и выполняет разделительную функцию. Это снижает молекулярную составляющую коэффициента трения.
Антифрикционные твердосмазочные покрытия MODENGY во многих случаях полностью заменяют другие виды смазочных материалов. В отличие от пластичных смазок или масел покрытия выдерживают очень высокие нагрузки, не выдавливаются из зоны трения, инертны по отношению к различным химическим веществам и устойчивы к агрессивным факторам.
Выбор покрытия для пар трения "резина-металл"
Задачу снижения трения в парах "резина-металл" успешно решают покрытия MODENGY 1006, MODENGY 1010, MODENGY 1011, MODENGY 1014. Инженеры компании "Моденжи" реализовали десятки проектов, основанных на применении данных покрытий на:
- Внутренних цилиндрических поверхностях пневмо- и гидроцилиндров (илл. 3)
- Вращающихся валах, контактирующих с резиновыми манжетными уплотнениями
- Штоках трубопроводной арматуры
- Металлических деталях насосов – роторах и подшипниках скольжения
- Элементах торцовых уплотнений
Илл. 3. Элементы гильзы пневоцилиндра до и после нанесения покрытия MODENGY 1014
Покрытия MODENGY для пар трения "резина-металл" обладают следующими параметрами и характеристиками.
MODENGY 1006 с дисульфидом молибдена и графитом имеет серо-черный матовый цвет. Диапазон его рабочих температур -70…+315 °С, несущая способность (машина трения SRV) – 1800 МПа, коэффициент трения при контактном давлении 1300 МПа – 0,05.
Черное глянцевое покрытие MODENGY 1010 с ПТФЭ в качестве твердосмазочного компонента работает при температурах от -70 до +250 °С. Его несущая способность по методу Falex составляет 2300 H, а степень защиты от коррозии – более 300 часов в соляном тумане.
MODENGY 1011 на основе ПТФЭ после нанесения и полимеризации образует серебристый защитный слой, выдерживающий температуры от -70 до +250 °С. Данное покрытие обладает такое же несущей способностью, как и MODENGY 1010, однако от коррозии оно защищает дольше – в течение 500 часов.
MODENGY 1014 с дисульфидом молибдена и ПТФЭ имеет серый матовый цвет. Диапазон его рабочих температур составляет -75…+255 °С. Покрытие имеет самые высокие показатели несущей способности (2800 МПа) и антикоррозионных свойств (более 672 часов в соляном тумане) среди всех перечисленных материалов.
Все покрытия наносятся на предварительно подготовленную (очищенную и обезжиренную) поверхность методом распыления. Уже через 10 минут жидкий состав высыхает и набирает начальную прочность, при которой детали можно транспортировать без риска повреждения покрытия. Полноценная эксплуатация деталей возможна только после полной полимеризации слоя.
Преимущества покрытий MODENGY
Покрытия MODENGY предотвращают скачкообразное движение и прилипание резины к металлу при страгивании с места, за счет чего плавность хода деталей и ресурс механизма в целом повышаются.
За счет заполнения впадин и выравнивания микронеровностей улучшается герметичность конструкции.
Покрытия MODENGY обеспечивают отличную антикоррозионную защиту металла, что в ряде случаев позволяет отказаться от применения нержавеющих сталей и заменить их более дешевыми конструкционными материалами.
Поверхности под нанесение покрытий не требуют сложной финишной обработки. При условии предварительной очистки и обезжиривания достаточно шероховатости 0,8 мкм. Это снижает стоимость изготовления деталей.
Благодаря снижению трения в уплотнительных устройствах повышается КПД механизмов.
На сухой защитный слой не налипают абразивные частицы, что обеспечивает возможность работы в условиях запыленности.
Антифрикционные твердосмазочные покрытия MODENGY разработаны с учетом всех триботехнических процессов, протекающих в парах трения "резина-металл". Именно поэтому они позволяют максимально снизить потери на трение и повысить срок эксплуатации резино-металлических уплотнительных устройств.