Что такое эластомер в механическом уплотнении?

В области механических уплотнений эластомеры представляют собой полимерные материалы, которые проявляют эластичные свойства. Эти универсальные материалы используются в различных компонентах уплотнений, таких как уплотнительные кольца, сильфоны и вторичные уплотнения, для обеспечения эффективной герметизации и предотвращения утечки жидкости.

Эластомеры обладают уникальными характеристиками, включая гибкость, упругость и устойчивость к химикатам и экстремальным температурам, что делает их незаменимыми в сложных промышленных применениях. Выбор подходящего эластомера для конкретного механического уплотнения зависит от таких факторов, как уплотняемая жидкость, рабочая температура, давление и химическая совместимость.

Что такое эластомер в механическом уплотнении?

Эластомер является важнейшим компонентом в механические уплотнения, обеспечивая герметизацию и гибкость в широком диапазоне применений. Эластомеры — это полимерные материалы, которые проявляют эластичные свойства, что позволяет им деформироваться под действием нагрузки и возвращаться к своей первоначальной форме после снятия нагрузки. В конструкциях механических уплотнений эластомеры обычно используются в качестве вторичных уплотнений, таких как уплотнительные кольца, прокладки и сильфоны, для предотвращения утечки и компенсации движения вала.

Одним из распространенных применений эластомеров является механические уплотнения является эластомерным сильфонным уплотнением. Этот тип уплотнения состоит из эластомерного сильфона, который действует как вторичное уплотнение и пружинный элемент, обеспечивая осевую гибкость и поддерживая постоянную силу уплотнения. Эластомерные сильфонные уплотнения компактны, просты в установке и могут работать независимо от направления вращения, что делает их универсальными для различных типов и размеров насосов.

Характеристики эластомеров

• Эластичность и гибкость: Эластомеры обладают способностью деформироваться под нагрузкой и возвращаться к своей первоначальной форме после снятия нагрузки. Эта эластичность позволяет эластомерным сильфонам и другим компонентам уплотнения компенсировать перемещение вала, несоосность и вибрацию без ущерба для уплотнительной функции.
• Твердость по дюрометру: Твердость по дюрометру эластомера относится к его сопротивлению вдавливанию и является мерой его упругости. Более мягкие эластомеры обеспечивают лучшую герметизацию неровных поверхностей, в то время как более твердые эластомеры обеспечивают улучшенную стойкость к истиранию и подходят для приложений с более высоким давлением.
• Сопротивление остаточной деформации при сжатии: Сопротивление остаточной деформации при сжатии — это способность эластомера сохранять свою уплотнительную силу и возвращаться к своей первоначальной форме после длительного сжатия. Эластомеры с высоким сопротивлением остаточной деформации при сжатии минимизируют риск выхода из строя уплотнения из-за постоянной деформации, обеспечивая постоянную производительность уплотнения в течение длительных периодов времени.
• Прочность на разрыв: Прочность на разрыв относится к максимальному напряжению, которое может выдержать эластомер до разрушения. Эластомеры, используемые в механических уплотнениях, должны иметь достаточную прочность на разрыв, чтобы противостоять силам, создаваемым давлением уплотняемой жидкости и пружинной нагрузкой уплотнительного узла.
• Удлинение при разрыве: Удлинение при разрыве — это максимальное удлинение, которому может подвергнуться эластомер до разрыва. Эластомеры с высоким удлинением при разрыве могут выдерживать значительную деформацию без разрушения, обеспечивая запас прочности в случае неожиданного напряжения или движения.
• Химическая стойкость: Эластомеры, используемые в механических уплотнениях, должны противостоять разрушению под воздействием уплотняемой жидкости и окружающей среды.
• Температурная стойкость: Диапазон рабочих температур является еще одним критическим фактором при выборе подходящего эластомера для механического уплотнения. Эластомеры должны сохранять свои свойства и уплотнительные характеристики в ожидаемом температурном диапазоне применения.

Типы эластомеров, используемых в механических уплотнениях

Нитрил (NBR)

Нитрил, также известный как Buna-N, является популярным выбором эластомера для механических уплотнений из-за его превосходной устойчивости к маслам, топливу и другим жидкостям на основе углеводородов. Он обеспечивает хорошую стойкость к истиранию и может выдерживать температуры от -30°C до 110°C. NBR обычно используется в приложениях, связанных с нефтепродуктами, такими как автомобильные жидкости и смазочные материалы.

Фторэластомер (FKM)

Фторэластомеры, часто называемые Viton®, демонстрируют исключительную химическую стойкость и выдерживают высокие температуры до 200°C. Они устойчивы к широкому спектру агрессивных химикатов, включая кислоты, основания и растворители. FKM — идеальный выбор для механических уплотнений в химической, фармацевтической и нефтегазовой промышленности.

Силикон (ВМQ)

Силиконовые эластомеры известны своей превосходной термической стабильностью и гибкостью в широком диапазоне температур от -60°C до 230°C. Они обладают хорошей устойчивостью к озону, УФ-излучению и атмосферным воздействиям. Однако силикон имеет ограниченную устойчивость к маслам и растворителям. Он часто используется в пищевой промышленности, в медицине и фармацевтике.

Этиленпропиленовый диеновый мономер (EPDM)

EPDM — универсальный эластомер с превосходной устойчивостью к теплу, озону и атмосферным воздействиям. Он выдерживает температуры от -50°C до 150°C и совместим с различными жидкостями, включая воду, пар и мягкие химикаты. EPDM обычно используется в автомобильной промышленности, системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха и в промышленности.

Перфторэластомер (ФФКМ)

Перфторэластомеры, такие как Kalrez® и Chemraz®, являются наиболее химически стойкими эластомерами из имеющихся. Они выдерживают экстремальные температуры до 327°C и совместимы практически со всеми химикатами, включая высокоагрессивные кислоты, основания и растворители. FFKM используется в критических приложениях, где отказ уплотнения может иметь серьезные последствия, например, в производстве полупроводников и химической обработке.

Гидролизостойкий полиуретан (HPU)

Эластомеры HPU специально разработаны для сопротивления гидролизу, который представляет собой деградацию эластомера из-за воздействия воды и высоких температур. Они обладают превосходной стойкостью к истиранию и выдерживают температуры до 120°C. HPU обычно используется в механических уплотнениях для насосов, перекачивающих воду, сточные воды и другие водные растворы.

Преимущества эластомеров

Превосходные характеристики герметизации

Эластомеры, используемые в механических уплотнениях, обеспечивают превосходную герметичность в широком диапазоне применений. Их эластичность и гибкость позволяют им плотно прилегать к уплотняемым поверхностям, создавая плотный барьер, который предотвращает утечку. Это особенно важно в динамических применениях, таких как центробежные насосы, где уплотнение должно компенсировать перемещение вала, сохраняя при этом надежную герметизацию.

Химическая совместимость

Другим ключевым преимуществом эластомеров в герметизации является их химическая стойкость. Различные эластомерные соединения разработаны для выдерживания воздействия различных химикатов, растворителей, масел и других жидкостей. Например, фторэластомеры (FKM) демонстрируют отличную стойкость ко многим агрессивным химикатам, топливу и маслам, что делает их пригодными для использования в сложных промышленных условиях. Аналогично, эластомеры EPDM обладают хорошей стойкостью к воде, пару и многим полярным растворителям.

Температурная стойкость

Эластомеры, используемые в механических уплотнениях, также способны работать в широком диапазоне температур. Различные эластомерные соединения имеют различные температурные возможности, некоторые из них способны выдерживать экстремально высокие или низкие температуры. Фторэластомеры, например, могут выдерживать температуры до 200°C и выше, в то время как силиконовые эластомеры сохраняют свои свойства при температурах до -60°C.

Устойчивость к истиранию и износу

В приложениях, включающих абразивные среды или частицы, эластомеры обеспечивают хорошую стойкость к истиранию и износу по сравнению с другими уплотнительными материалами. Упругая природа эластомеров позволяет им поглощать удары абразивных частиц без необратимых повреждений. Некоторые эластомерные соединения, такие как гидролизоустойчивый полиуретан (HPU), специально разработаны для повышения стойкости к истиранию.

Поглощение вибрации и ударов

Присущие эластомерам демпфирующие свойства делают их превосходными для поглощения вибрации и ударных нагрузок в механических системах. В приложениях с высокой вибрацией или внезапными ударными силами эластомерные компоненты в механических уплотнениях помогают защитить уплотнительные поверхности и другие критические компоненты от повреждений. Эластомер действует как буфер, рассеивая энергию и уменьшая передачу вибрации на уплотнительные поверхности.

Экономическая эффективность

Эластомеры, как правило, более рентабельны, чем другие специализированные уплотнительные материалы. Сырье и производственные процессы для эластомеров обычно менее дороги по сравнению с экзотическими сплавами или передовой керамикой. Кроме того, универсальность эластомеров позволяет использовать их в широком диапазоне конструкций и применений механических уплотнений, что снижает потребность в дорогостоящих индивидуальных решениях.

Факторы, влияющие на характеристики эластомера

Рабочая температура

Эластомеры имеют определенные температурные пределы, за пределами которых их механические свойства ухудшаются. Например, нитрил (NBR) подходит для температур от -30°C до 110°C, в то время как фторэластомеры (FKM) могут выдерживать от -20°C до 200°C. Превышение рекомендуемого температурного диапазона может привести к затвердеванию, размягчению или деградации эластомера, что поставит под угрозу производительность и срок службы уплотнения.

Химическая совместимость

Эластомер должен выдерживать химическую среду без чрезмерного разбухания, усадки или деградации. Различные эластомеры обладают устойчивостью к различным химикатам:

• Нитрил (NBR): устойчив к минеральным маслам, смазкам и некоторым видам топлива.
• Фторэластомер (FKM): отличная стойкость к агрессивным химикатам, маслам и растворителям.
• EPDM: хорошая устойчивость к кетонам, спиртам и тормозным жидкостям, но плохая устойчивость к маслам
• FFKM: превосходная химическая стойкость, выдерживает широкий спектр агрессивных химикатов

Несовместимость эластомера и среды может привести к нарушению герметичности и утечке.

Давление

Высокое давление может вызвать чрезмерную усадку при сжатии, что снижает способность эластомера поддерживать надлежащее уплотнение. Предел давления зависит от типа эластомера и конструкции уплотнения. Например, резиновое сильфонное уплотнение с компактной конструкцией может выдерживать более высокие давления по сравнению со стандартным уплотнительным кольцом.

Истирание и износ

В приложениях, включающих абразивные частицы или среды, эластомер должен обладать хорошей стойкостью к истиранию, чтобы предотвратить преждевременный износ. Более твердые эластомеры, такие как FKM или FFKM, обычно обеспечивают лучшую стойкость к истиранию по сравнению с более мягкими материалами, такими как силикон или EPDM. Однако более твердые эластомеры могут ухудшить характеристики уплотнения в динамических приложениях, требующих гибкости.

Скорость вращения вала и биение

Эластомер должен компенсировать движение вала и биение в динамических уплотнительных приложениях. Высокие скорости вала могут генерировать тепло и вызывать более быстрый износ эластомера. Чрезмерное биение вала или несоосность могут привести к неравномерному износу и утечке. Эластомеры с хорошим сопротивлением остаточной деформации сжатия и эластичностью, такие как FKM или FFKM, лучше подходят для высокоскоростных приложений. Правильная конструкция уплотнения, например, включение спиральной пружины или витков, может помочь компенсировать движение вала и поддерживать эффективность уплотнения.