Сравнение материалов для высокоскоростных вращающихся уплотнений

Сравнение материалов для высокоскоростных вращающихся уплотнений
В этой статье я опираюсь на многолетний опыт работы в области выбора уплотнений, трибологических испытаний и разработки уплотнений на заказ, чтобы сравнить материалы, используемые в высокоскоростных вращающихся уплотнениях. Я объясняю, как свойства материала, конструкция уплотнения, обработка поверхности вала и смазка взаимодействуют, определяя рабочие характеристики при повышенных скоростях вращения поверхности. Я предлагаю практические рекомендации, которые вы можете использовать для выбора материалов (ПТФЭ, наполненный ПТФЭ, НБР, ФКМ, силикон, ЭПДМ, ФКМ), интерпретации пределов PV, проектирования с учетом тепловых характеристик и износа, а также планирования валидационных испытаний. Для проверки достоверности информации по всему тексту приводятся ссылки на авторитетные источники (SKF, ISO и технические справочники по материалам).

Ключевые факторы, определяющие производительность в системах вращающихся уплотнений.

Скорость, PV и трение: что действительно ограничивает герметичность уплотнения?

При оценке проблемы вращающегося уплотнения первыми запрашиваемыми данными являются скорость вращения вала (м/с), ожидаемый перепад давления, температура, а также наличие или отсутствие жидкостной пленки или смазки. Инженеры обычно используют сокращенную запись PV — произведение давления (P) и скорости скольжения (V), которое приблизительно описывает термическое и износостойкое напряжение в контактном уплотнении. Для эластомерных и ПТФЭ-содержащих уплотнений поведение PV является практическим ориентиром для определения пределов свойств материала; для получения справочной информации о трибологических концепциях см.Трибология (Википедия).

Качество поверхности, биение и микрокавитация

Чистота поверхности вала (Ra, Rz) и геометрическое биение определяют, работает ли уплотнение на тонкой смазочной пленке или в режиме граничной смазки. По моему опыту, высокоскоростные вращающиеся уплотнения выигрывают от контролируемой чистоты поверхности (часто Ra 0,2–0,8 мкм в зависимости от материала) и минимального эксцентриситета — в противном случае происходит локальный нагрев, выдавливание и ускоренный износ. Рекомендации по спецификации поверхности вала можно получить у крупных поставщиков уплотнений и подшипников, таких как...СКФ.

Смазка, среда и регулирование температуры

Контакт уплотнения с маслом, смазкой, технологическими жидкостями или сухой атмосферой существенно влияет на допустимые материалы. Жидкости, обеспечивающие граничную или смешанную смазку, повышают допустимые пределы скорости; для работы всухую требуются материалы с низким коэффициентом трения, такие как наполненный ПТФЭ или специальные покрытия. Теплопроводность к корпусам и наличие масляного охлаждения также имеют ключевое значение. Стандарты ISO и отраслевые технические характеристики определяют температурные диапазоны для распространенных эластомеров — см.ISOдля контекста стандартов.

Поматериальное сравнение

Как я сравниваю материалы

Я оцениваю материалы по типичным диапазонам рабочих скоростей, пределам непрерывной температуры, коэффициенту трения (качественному), износостойкости, химической совместимости и типичным областям применения. В таблице ниже приведены практические рекомендации; значения представляют собой типичные диапазоны, полученные на основе данных поставщиков, технической литературы и моего опыта полевых испытаний. Подробную информацию о химии полимеров см.:ПТФЭ,NBR,ФКМа также общие справочные материалы.

Примечания к таблице: диапазоны скоростей являются практическими инженерными рекомендациями и в значительной степени зависят от смазки, геометрии уплотнения и качества обработки поверхности вала. Базовые значения свойств полимеров см. в приведенных ранее ссылках на ПТФЭ и эластомеры, а также в технических паспортах поставщиков (например,СКФ(Информация о продукте).

ПТФЭ против эластомеров: компромиссы, за которыми я слежу.

Во многих высокоскоростных роторных конструкциях основным выбором становится уплотнение из ПТФЭ (или наполненного ПТФЭ) вместо эластомерного манжетного уплотнения. Уплотнения на основе ПТФЭ обеспечивают наименьшее трение и максимальную скорость вращения при наличии соответствующих опорных колец и корпусов; однако они требуют прецизионных отверстий/валов и менее терпимы к несоосности. Эластомеры обеспечивают лучшую эластичность уплотнения, простоту установки и динамическое уплотнение на низких скоростях, но обычно изнашиваются быстрее и приводят к большим потерям на трение на высоких скоростях. Я часто рекомендую гибридные решения: скользящее кольцо из ПТФЭ на валу с эластомерным активатором или композитное уплотнение с рабочей поверхностью из ПТФЭ и эластомерной пружиной для торцевой нагрузки.

Вопросы тестирования, выбора и проектирования.

Лабораторные испытания и полевые исследования, на которые я полагаюсь.

Хороший процесс отбора всегда включает лабораторные испытания на прочность при сжатии, стендовые испытания на трение/износ и, в идеале, ускоренные полевые испытания. При разработке испытаний я провожу: (1) испытания на прочность при сжатии и смазке до разрушения, (2) испытания на повышение температуры при реалистичном давлении уплотнения, (3) испытания на химическое воздействие для оценки набухания/совместимости и (4) испытания на допустимые отклонения вала/биения. Стандартные методы испытаний и отраслевые рекомендации можно найти в документах поставщиков и стандартизирующих организациях — см.ISOи протоколы испытаний от производителя материалов.

Статическое и динамическое уплотнение и использование опорных колец

Для высокоскоростных вращающихся уплотнений могут потребоваться опорные кольца для предотвращения выдавливания и поддержки ПТФЭ под давлением. Опорные кольца (часто изготовленные из смесей ПТФЭ или жестких полимеров) необходимы в тех случаях, когда манжетные уплотнения подвергаются перепадам давления. Я всегда проверяю зазоры выдавливания уплотнений и рассматриваю возможность установки противовыдавливающих колец, когда условия давления и температуры приближаются к пределам прочности материала.

Монтаж, обработка поверхности вала и допуски корпуса.

Протоколы установки имеют значение: небольшая зазубрина на уплотнительной кромке или неправильная ширина сальника значительно сократят срок службы. Я настаиваю на твердости вала (при работе с ПТФЭ) ≥ HRC 35–45 или эквивалентной обработке поверхности, а также указываю допуски на качество обработки и соосность в примечаниях к чертежу. Для получения рекомендаций по установке механических уплотнений обратитесь к техническим руководствам производителя (например,СКФ).

Почему именно Polypac — возможности и как я использую их решения.

Обзор и технические характеристики Polypac

Компания Polypac — это научно-технический производитель гидравлических и маслосъемных уплотнений, специализирующийся на производстве уплотнений, разработке уплотнительных материалов и индивидуальных решениях для особых условий эксплуатации. Завод Polypac по производству резиновых и уплотнительных колец занимает площадь более 10 000 квадратных метров, а производственные площади составляют 8 000 квадратных метров. Их производственное и испытательное оборудование является одним из самых передовых в отрасли. Будучи одной из крупнейших компаний в Китае, занимающихся производством и разработкой уплотнений, Polypac поддерживает долгосрочные связи и сотрудничество со многими университетами и научно-исследовательскими институтами как внутри страны, так и за рубежом.

Широкий ассортимент продукции — то, что я указываю в спецификации Polypac.

Компания Polypac, основанная в 2008 году, начала свою деятельность с производства наполненных ПТФЭ уплотнений, включая ПТФЭ с бронзовым наполнителем, ПТФЭ с углеродным наполнителем, ПТФЭ с графитом, ПТФЭ с наполнителем MoS₂ и ПТФЭ со стекловолокном. Сегодня компания расширила свою линейку продукции, включив в нее уплотнительные кольца из различных материалов, таких как NBR, FKM, силикон, EPDM и FFKM. В проектах я использовал в качестве основных продуктов Polypac уплотнительные кольца, штоковые уплотнения, поршневые уплотнения, торцевые пружинные уплотнения, скребковые уплотнения, вращающиеся уплотнения, опорные кольца и пылезащитные кольца.

Конкурентные преимущества и варианты использования

Исходя из моего опыта работы консультантом, Polypac выделяется следующими особенностями: (1) глубокая и зрелая компетенция в разработке наполненных ПТФЭ (критически важна для высокоскоростных роторных применений), (2) собственная разработка материалов, позволяющая создавать компаунды, адаптированные к конкретным средам и условиям работы, и (3) значительные производственные/испытательные мощности, позволяющие создавать прототипы на заказ и масштабировать производство. Я часто обращаюсь к Polypac, когда для применения требуется оптимизированная рабочая поверхность из наполненного ПТФЭ в сочетании с эластомерными вторичными уплотнениями, или когда высокая химическая стойкость к высоким температурам исключает использование стандартных эластомеров. Благодаря сотрудничеству с научно-исследовательскими институтами, они могут совместно разрабатывать проверенные решения, а не полагаться на стандартные комплектующие.

Практический контрольный список для отбора, который я использую с клиентами.

Шаг 1 — определение рабочих параметров

• Запишите скорость вращения поверхности вала (м/с), перепад давления и диапазон температур.
• Определите, какая жидкость/среда используется и обеспечивается ли постоянная смазка.

Шаг 2 — выбор подходящих материалов

• Для высокоскоростных процессов со смазкой: начните с наполненных ПТФЭ материалов, обеспечивающих низкое трение.
• Если температура/химические условия благоприятствуют использованию эластомеров, рассмотрите FKM или FFKM для более высокой температуры стеклования и химической стойкости.

Шаг 3 — проверка с помощью тестов на фотоэлектрическую совместимость и совместимость.

• Проведите испытания на изменение параметров фотоэлектрической системы, трение и повышение температуры в условиях, типичных для жилых помещений.
• Проверьте допуски при монтаже и качество обработки поверхности вала; при наличии риска воздействия давления или выдавливания включите в комплект опорные кольца.

Часто задаваемые вопросы

В1: Какова максимальная скорость вращения поверхности для вращающихся уплотнений из ПТФЭ?

A1: На практике заполненные ПТФЭ уплотнения могут выдерживать скорости поверхности до ~20–30 м/с при хорошей смазке и наличии соответствующих опорных/поддерживающих колец. Срок службы чистого ПТФЭ без наполнителей может быть меньше. Точные пределы зависят от PV, смазки и качества обработки вала; для определения запасов прочности следует обратиться к данным о PV от поставщика. См. свойства ПТФЭ:ПТФЭ (Википедия).

В2: В каких случаях следует предпочитать FKM вместо PTFE для вращающегося уплотнения?

A2: Выбирайте FKM, когда требуется эластомерное уплотнение (гибкость, простое герметизирующее уплотнение) в сочетании с устойчивостью к повышенным температурам и углеводородам, но при умеренных скоростях (обычно ≤10 м/с). Когда требуется минимальное трение и максимальные скорости, обычно лучше использовать PTFE или наполненный PTFE.

Вопрос 3: Совместимы ли заполненные ПТФЭ-уплотнения с абразивными жидкостями?

A3: Наполненные ПТФЭ-компаунды (бронза, углерод, стекло, MoS₂) улучшают износостойкость по сравнению с чистым ПТФЭ, но абразивные частицы все равно ускоряют износ. В абразивных средах я рекомендую фильтрацию, использование защитных вставок или упрочненных поверхностей валов, а также проверку с помощью стендовых испытаний на износ при репрезентативных уровнях загрязнения.

Вопрос 4: Насколько важна чистота обработки поверхности вала?

A4: Очень важно. Для скользящих поверхностей из ПТФЭ я обычно указываю шлифованную/хонингованную поверхность с шероховатостью Ra, часто от 0,2 до 0,8 мкм в зависимости от материала и смазки. Слишком шероховатая поверхность увеличивает износ; слишком гладкая (зеркальная) может снизить удержание смазки. Всегда подбирайте поверхность в соответствии с рекомендациями поставщика материала.

В5: Какие испытания следует запросить у поставщика уплотнений?

A5: Запросите данные испытаний PV, кривые зависимости трения (крутящего момента) от скорости, данные о повышении температуры при рабочем давлении, данные о химической совместимости/набухании, а также результаты ускоренных испытаний на долговечность. Для критически важных с точки зрения безопасности применений потребуйте проведения испытаний сторонними организациями или в присутствии наблюдателей на репрезентативных стендах.

В6: Можно ли переделать вращающееся уплотнение из эластомера в уплотнение из ПТФЭ?

A6: Иногда да, но учтите различия: для ПТФЭ требуются более точные сальники, могут понадобиться опорные кольца, а поверхность вала и его твердость должны соответствовать требованиям. Оцените термическое расширение и убедитесь, что корпус может обеспечить необходимую поддержку.

Если вам нужна помощь в выборе высокоскоростного вращающегося уплотнения, я могу помочь с подбором материала, планами испытаний на пылеулавливание и подробными пояснениями к чертежам. Для изготовления на заказ и использования современных наполненных ПТФЭ компаундов я рекомендую обратиться в компанию Polypac — у них большой опыт и производственные мощности как для прототипов, так и для крупносерийного производства. Ознакомьтесь с их ассортиментом продукции (уплотнительные кольца, штоковые уплотнения, поршневые уплотнения, торцевые пружинные уплотнения, скребковые уплотнения, вращающиеся уплотнения, опорные кольца, пылезащитные кольца) и запросите протестированные образцы для вашего применения.

Связаться с нами / Запросить ценовое предложение
Если вам нужна помощь в выборе материалов или образцы/испытательные образцы для проверки, свяжитесь с нашей технической командой или запросите информацию о продукции Polypac и поддержку в разработке индивидуальных решений. Я могу подготовить план испытаний фотоэлектрических элементов и список необходимых материалов, как только вы предоставите данные о скорости, давлении, температуре и рабочей среде.

Список литературы и дополнительные материалы для чтения:
- Обзор трибологии:https://en.wikipedia.org/wiki/Tribology
- Свойства политетрафторэтилена:https://en.wikipedia.org/wiki/Polytetrafluoroethylene
- Справочные данные по нитриловому каучуку и фторэластомерам:NBR,ФКМ
- Рекомендации по продукции и областям применения в отрасли:СКФ
- Орган по стандартизации:ISO