Экспериментальное исследование свойств уплотнительных резин при высоких и низких температурах

Введение. В узлах аэрокосмической техники широко используются неподвижные и подвижные уплотнения, изготовленные из резины [1] . Известно также, что эксплуатация узлов ракетной и космической техники происходит в очень широком диапазоне как низких, так и высоких температур [2; 3]. Поэтому в расчетах неподвижных и подвижных уплотнений таких узлов необходимо учитывать зависимости постоянных упругости от температуры, а также влияние температуры на коэффициент трения резины [4–7]. При этом, имея минимальные размеры в пределах допусков, уплотнение не должно давать утечки при низких температурах, а при максимальных размерах оно не должно разрушаться при высоких температурах. Чтобы обеспечить работу уплотнения, его приходится поджимать при установке в гнездо на максимально допустимые величины, т. е. порядка 25 %.

В работе [8] приведены теоретические зависимости, связывающие утечки через уплотнения различных типов с целым рядом факторов, в частности, с напряжениями в зоне контакта и модулем упругости. Известно также [8], что на работу подвижных уплотнений значительное влияние оказывает коэффициент трения материала уплотнения. Авторами данной работы экспериментально-теоретическим путем ранее [9] было изучено влияние на утечки через неподвижное торцевое уплотнение распределения контактных напряжений по ширине площадки контакта . Авторы также в ряде своих работ [10–12] приводят конструкции стендов, методики и результаты исследований коэффициентов трения и износостойкости резин.

Целью данной работы явилось экспериментальное исследование влияния на статический модуль упругости резины высоких и низких температур. Эксперименты проводились в диапазоне температур от –70 до +100 °С для пяти составов бутадиен-нитрильных резин (HNBR), применяемых в уплотнительной технике, под условными названиями «56», «101», «985», «205», «207». Использовался метод, подобный методам, описанным в стандартах ASTM D1053 и ASTM D1043. Ранее для этих составов резин авторами были экспериментально исследованы динамические модули и модули внутреннего трения [13]. При оценке величины низкотемпературных утечек обязательным условием является учет неупругого поведения резины. Под воздействием температуры в резине происходят пластические деформации. В отличие от традиционной теории пластичности их величина зависит не только от истории и величины нагружения, но и от величины температуры и отрезка времени, на котором резина испытывает эту нагрузку и температуру [8].

Поэтому было необходимо проведение экспериментальных исследований модуля упругости, не только когда деформация образца постоянна, но и когда деформация и температура меняются во времени, моделируя работу уплотнения в различные периоды его эксплуатации. Еще одной целью работы явилось изучение влияния температуры на коэффициент трения скольжения резины HNBR при трении ее по фторсодержащим покрытиям и стали.

Установки для исследований и методики испытаний . Для исследования влияния температуры на модуль упругости пяти указанных составов резин использовалась установка, подробно описанная в работе [13]. Испытывались стандартные образцы резин диаметром 8 мм и длиной рабочей части образца 23,5 мм. Конструкция установки обеспечивала задание относительной деформации образца из резины до а = 0,3. Объемные температуры в диапазоне температур от +20 до +100 ºС в герметичной камере установки, общий вид которой приведен на рис. 1, создавались нагревателем. Отрицательные температуры создавались путем подачи в криостат камеры установки жидкого азота.

Рис. 1. Общий вид термокамеры при исследованиях модуля упругости эластомеров

Испытания при температурах, отличных от +20 °С, выполнялись в следующей последовательности. В зажимы устройства устанавливался образец резины с нулевой относительной деформацией. Одновременно в камеру в контейнере помещалась вся партия образцов, необходимая для этой серии испытаний (15– 20 шт.). Посредством нагревателя или криостата в камере создавалась заданная температура, которая выдерживалась в течение 15 мин для равномерного прогрева или охлаждения образцов резины.

После этого образец, установленный в зажимах, изгибался до заданной относительной деформации a = 0,1–0,3, и производилось измерение изгибающего момента с использованием уравновешивающих грузов. Затем испытанный образец удалялся из камеры, а в зажимы при нулевой относительной деформации устанавливался новый образец из контейнера, находящегося в камере. Устанавливался новый уровень температуры, и процедура повторялась. В области температур от –70 до +100 ºС измерения проводились через 10 ºС.

Экспериментально исследовались также коэффициенты трения скольжения резины HNBR по фторсодержащим покрытиям типа XYLAN. Исследования проводились в диапазоне температур от –40 до +120 ºС при скоростях скольжения 0,2 м/с и одностороннем вращательном движении плоских образцов. Испытания проводились на машине торцевого трения, принципиальная схема которой и подробное описание конструкции приведены в работе [10]. При исследованиях по определению коэффициента трения скольжения нижний кольцевой образец с нанесенным на его торцевую поверхность покрытием (рис. 2) устанавливают на головке вертикального шпинделя. Верхний образец с наклеенными на его поверхность пластинками резины закрепляется в оправке посредством трех винтов. Оправка центрируется относительно шпинделя самоустанавливающимся шарикоподшипником, который допускает свободное перемещение оправки с образцом вдоль их оси. Нагружение образцов осуществляется грузами, устанавливаемыми на подвеску рычага, имеющего отношение плеч 1:10. Нагрузка с рычага передается на верхний образец через шаровую опору.

Рис. 2. Внешний вид образца с пластинками резины и образцов с покрытиями из XYLAN

Машина торцевого трения позволяла проводить исследования процессов трения и износа при давлении на поверхность трения образцов от 0,5 до 100 МПа, скоростях скольжения 0,002–2 м/с при температурах от –50 до +150 ºС. Изменение температуры осуществлялось путем установки на узел трения съемных термокамеры или криокамеры.

Результаты экспериментальных исследований. На рис. 3 и в табл. 1 приведены результаты определения модуля упругости в диапазоне температур от –70 до + 100 ºC для пяти составов резин при изгибе с относительной деформацией изгиба a = 0,15. При этих экспериментах изменялась только температура испытаний. На рис. 3 экспериментальные точки, соответствующие резине «101», обозначены символом (о), резине «207» – символом (□), резине «56» – символом (×), резине «205» – символом (◊), резине «985» – символом (+).

Далее были проведены два теста, которые используются для имитации работы уплотнения из резины при низких температурах [8; 14]. Первый тест имитировал изменение контактных напряжений в уплотнении после установки при +20 °C и последующем охлаждении. План этого эксперимента и его результаты приведены в табл. 2. Как следует из табл. 2, образец из резины в этом случае после деформирования до а = 0,15 при температуре +20 °C первые 60 мин релаксировал при этой температуре. Затем температуру в камере снижали до –10 ºC и продолжали испытания еще 15 мин. Относительная деформация в течение всего эксперимента оставалась постоянной, а = 0,15. Параметры испытаний и его результаты для этого теста приведены также на рис. 4, где E – кажущийся модуль как результат измерения изгибающего момента. Кажущийся, так как он включает и релаксацию, и термоусадку, и влияние скорости нагружения и т. д. Этот искусственный параметр для качественных оценок подобен многим другим, применяемым в таких экспериментах.

Второй тест имитировал изменение контактных напряжений после установки уплотнения при +50 ºС и последующем охлаждении и подаче давления. План этого эксперимента и его результаты приведены в табл. 3. Образец из резины в этом случае после деформирования до а = 0,15 при температуре +50 °C первые 60 мин релаксировал при температуре +50 °C. Затем температуру в камере снижали до –10 ºC с одновременным увеличением деформации до а = 0,30 и продолжали испытания еще 15 мин. Параметры испытаний и результаты для этого теста приведены также на рис. 5. Этот тест в целом подобен тесту по ASTM D1329.

Анализ результатов исследований (рис. 3 и табл. 1) влияния температурного фактора на модуль упругости бутадиен-нитрильных резин показывает, что для резин «101», «985», «207» величина модуля упругости возрастает по отношению к модулям упругости при температуре +20 ºС в 1,9–2,6 раза уже при температуре – 20 ºС. Меньшее увеличение значения модуля упругости (в 1,3–1,5 раза) наблюдалось при температуре – 20 ºС для резин «56» и «205». Менее всего (в 1,3 раза) увеличивалось значение модуля упругости для бутадиен-нитрильной резины с условным номером «56», имеющей при температуре +20 ºС самый низкий модуль упругости ( Е = 4,14 МПа).

При проведении низкотемпературных тестов (рис. 4, 5 и табл. 2, 3) наблюдалась аналогичная картина, т. е. только для резины «56» при снижении температуры до – 10 ºС значение модуля упругости увеличивалось только в 1,7 раза, тогда как для четырех других составов резин значение модуля упругости увеличивалось в 2,5–3,6 раза, особенно во втором тесте. При увеличении температуры от +20 до +100 ºС значение модуля упругости исследованных бутадиен-нитрильных резин снижалось в 1,1–1,35 раза.

t , ºC

Рис. 3. Зависимости модуля упругости от объемной температуры для пяти составов резин

Модули упругости (МПа) для пяти составов резин при различных температурах

Тест на изменение модуля упругости (МПа) при постоянной деформации а = 0,15

Таблица 1

t , °с	Составы резин
	«205»	«207»	«101»	«985»	«56»
–70	334	567	554	–	133
–60	196	402	417	поломка	56,7
–50	112	248	334	86,7	30,1
–40	58,3	118	136	67,3	15,3
–30	26,2	71,3	84,2	43,5	6,13
–20	18,0	36,7	37,2	28,7	5,52
–10	14,1	26,9	27,5	19,5	5,13
0	12,8	23,5	24,1	16,6	4,54
10	12,6	21,8	17,7	15,1	4,36
20	12,5	19,4	14,1	13,9	4,14
30	12,2	19,0	13,6	13,4	4,05
40	11,9	18,5	13,0	12,8	3,98
50	11,5	18,1	12,5	12,1	3,93
60	11,1	17,5	11,8	11,2	3,90
70	10,8	16,9	11,1	10,4	3,88
80	10,5	14,4	10,5	9,81	3,86
90	10,4	16,0	10,0	9,23	3,84
100	10,3	15,7	9,62	8,70	3,83

Таблица 2

t , мин	а	t , ºC	Составы резин
			«205»	«207»	«101»	«985»	«56»
0,5	0,15	20	12,5	19,4	14,1	13,9	4,14
3			11,5	17,8	12,9	12,7	3,80
5			10,.8	17,6	12,7	12,3	3,72
10			10,7	17,5	12,5	11,9	3,67
20			10,6	17,4	12,3	11,6	3,65
30			10,5	17,3	12,1	11,3	3,63
40			10,4	17,2	12,0	11,1	3,62
50			10,3	17,1	11,9	10,9	3,61
60			10,2	17,0	11,8	10,8	3,60
70		–10	9,47	16,1	10,9	10,4	3,47
85			9,47	16,1	10,9	10,4	3,47

Таблица 3

t , мин	а	t , ºC	Составы резин
			«205»	«207»	«101»	«985»	«56»
0,5	0,15	50	11,5	18,1	12,5	12,1	3,93
3			11,1	17,7	10,5	10,1	3,73
5			10,8	17,4	10,1	8,47	3,69
10			10,5	17,1	9,47	8,14	3,67
20			10,3	16,9	8,80	7,80	3,67
30			10,1	16,7	8,13	7,67	3,67
40			10,0	16,6	7,70	7,60	3,67
50			9,90	16,5	7,53	7,60	3,67
60			9,90	16,5	7,47	7,60	3,67
70	0,30	–10	28,8	54,1	36,8	40,8	10,8
71			25,4	43,5	31,5	32,7	9,34
73			23,6	41,2	27,5	29,7	7,47
75			23,4	40,8	26,1	28,5	7,02
80			23,3	40,5	25,5	28,0	6,67
85			23,3	40,5	25,5	28,0	6,67

Тест на изменение модуля упругости (МПа) после охлаждения с одновременным увеличением деформации изгиба

Рис. 4. Тест на изменение модуля упругости при постоянной деформации а = 0,15

a

t , мин

E , MПa

t , мин

Рис. 5. Тест на изменение модуля упругости после охлаждения с последующим увеличением деформации изгиба

Исследование коэффициентов трения резин по стали и фторсодержащим покрытиям. На торцевую поверхность верхнего стального образца, наклеивались под углом 120º три пластинки резины HNBR (см. рис. 2). Толщина этих пластинок составляла 2,5 мм, а их общую площадь изменяли от 25 до 100 мм² в зависимости от исследуемого диапазона нагрузок. Фторсодержащие покрытия наносились на торцевую поверхность нижнего образца из стали. Исследовались три типа покрытий: XYLAN P5211, XYLAN 5250/000, XYLAN 1014/748. При этих экспериментах изменялась только температура испытаний.

При испытаниях на поверхность образцов наносился пластичный смазочный материал («Фиол-1»), и они помещались в установку. Затем проводилось нагружение образцов, создавалась требуемая температура для испытаний и осуществлялось трение образцов со скоростью скольжения 0,2 м/с. При этом записывалась величина силы трения и температура в зоне трения. Результаты экспериментальных исследований коэффициентов трения скольжения резины HNBR по трем видам покрытий из XYLAN и стали при давлении на поверхности трения резины 2,8 МПа представлены в табл. 4 и на рис. 6.

Таблица 4

Коэффициенты трения скольжения при трении резины HNBR по стали и покрытиям типа XYLAN при давлении 2,8 МПа при различных температурах

t , ºC	Материал нижнего образца
	Сталь-45	XYLAN 1014/748	XYLAN 5250/000	XYLAN P-5211
–40	0,311	0,192	0,221	0,434
–30	0,252	0,161	0,193	0,398
–20	0,213	0,139	0,161	0,375
–10	0,175	0,124	0,136	0,351
0	0,15	0,113	0,123	0,330
20	0,125	0,102	0,113	0,298
60	0,115	0,105	0,121	0,263
120	0,110	0,134	0,149	0,220

t , ºC

Рис. 6. Зависимость коэффициентов трения скольжения от температуры при трении резины HNBR по стали и покрытиям типа XYLAN при давлении 2,8 МПа

Анализ результатов исследований (рис. 6 и табл. 4) влияния температурного фактора на коэффициент трения резины HNBR по стали и покрытиям из XYLAN всех типов показал, что при снижении температуры с +20 до –40 ºС значение коэффициента трения скольжения увеличивается в 1,5–2 раза для всех покрытий. Увеличение температуры с +20 до +120 ºС не вызывает значительного изменения коэффициента трения скольжения, причем для покрытий XYLAN 1014/748 и XYLAN 5250/000 он увеличивался в 1,3 раза, а для покрытия XYLAN P-5211, напротив, снижался в 1,35 раза.

Заключение. Таким образом, в результате экспериментальных исследований влияния температуры на модуль упругости резин установлено, что бутадиен-нитрильные уплотнительные резины нецелесообразно использовать при температурах ниже –20 ºС, так как при дальнейшем понижении температуры величина модуля упругости по отношению к модулям упругости при температуре +20 ºС возрастает более чем в 2 раза. При температурах –30 ºС может быть использована только бутадиен-нитрильная резина с условным номером «56», имеющая при температуре +20 ºС самый низкий модуль упругости ( Е = 4,14 МПа). Все исследованные бутадиен-нитрильные уплотнительные резины могут быть успешно использованы при температурах до +100 ºС.

Исследования коэффициентов трения резины HNBR по стали и покрытиям из XYLAN всех типов показали, что при снижении температуры с +20 до –40 ºС коэффициент трения скольжения увеличивается в 1,5–2 раза для всех покрытий. Увеличение температуры с +20 до +120 ºС не вызывает значительного изменения коэффициента трения скольжения.

Экспериментально полученные температурные зависимости модуля упругости и коэффициентов трения позволяют практически учесть влияние температурного фактора при расчете неподвижных и подвижных уплотнений из бутадиен-нитрильных резин методом конечных элементов [15].