Сравнительная оценка виброизолирующей эффективности подвесок трубопроводов с упругими элементами из резин и полиуретанов

Для виброизоляции трубопроводов используют подвески. Конструкции подвесок трубопроводов на протяжении многих лет совершенствовались одновременно с отработкой и оптимизацией всего комплекса опорной (виброизоляторы) и неопорной (гибкие вставки) амортизации. Развитие шло, в основном, по пути снижения частоты свободных колебаний подвесок трубопровода [1].

В подвесках применяются вставки -резиновые или полиуретановые зубчатые упругие элементы. В зависимости от формы зубцов и типа резины, удается уменьшить частоту свободных колебаний до 12,5-15 Гц; несущая способность при этом составляет 25-100 кг [2]. Внешний вид подвески с упругим элементом из резины приведен на рисунке 1.

Рисунок 1. Виброизолирующая подвеска трубопровода с упругим элементом из резины

До настоящего времени упругие элементы изготавливались из традиционных резин. Следует отметить, что производство упру- гих элементов из резины требует существенных энергозатрат и сопровождается большой трудоемкостью технологического процесса.

Для повышения рентабельности производства упругих элементов требуется внедрение кардинально новых технологий изготовления. Одним из путей решения данной проблемы является применение для изготовления упругих элементов полиуретановых материалов. В связи с этим нами были проведены работы по поиску полиуретановой композиции, удовлетворяющей всем предъявляемым требованиям.

Эксплуатационные свойства полиуретанов удовлетворяют требованиям, предъявляемым к резинам, используемым в подвесках, и позволяют получать изделия без применения традиционной вулканизации, то есть обеспечивают энергосберегающую технологию изготовления амортизирующих конструкций.

Механические свойства полиуретанов изменяются в очень широких пределах и зависят от природы и длины участков цепи между уретановыми группами, структуры цепей (линейная или сетчатая), молекулярной массы и степени кристалличности. Полиуретаны могут быть вязкими жидкостями, или являться твёр- дыми веществами в аморфном или кристаллическом состоянии.

Полиуретановые эластомеры обладают стойкостью к действию различных растворителей, масел, топлив, к атмосферному воздействию, морозостойкостью. В отличие от традиционных резин, имеют высокое сопротивление истиранию, сохраняют высокую эластичность в широком диапазоне изменения твердости [3]. Некоторым из этих свойств полиуретаны обязаны присутствию вторичных химических связей или межмолекулярным взаимодействиям, которые, в свою очередь, являются результатом присутствия различных полярных групп в полиуретановых цепях [4].

В результате исследования свойств различных типов полиуретанов нам удалось подобрать композицию, удовлетворяющую требуемым физико-механическим показателям и обладающую рядом дополнительных достоинств. Этим материалом оказался литьевой полиуретан «Сурэл 55-17».

Физико-механические показатели традиционной резины марки 51-1491, применяемой для изготовления упругих элементов виброизолирующих подвесок, а также полиуретана «Сурэл 55-17» приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Физико-механические показатели резины 51-1491 и полиуретана «Сурэл 55-17»

Физико-механические показатели	Резина 51-1491	Полиуретан «Сурэл 55-17»
Предел прочности при растяжении, не менее, МПа	7,0 ÷ 10,0	11,2
Относительное удлинение при разрыве, %	400 ÷ 700	600 ÷ 700
Относительное остаточное удлинение, %	25	12÷ 14
Твердость по Шору А, усл. ед.	58	50
Динамические свойства: -    динамический модуль сдвига, G, МПа -    коэффициент механических потерь, tgδ	2,0 ÷ 4,0 0,10÷0,35	1,8 ÷ 3,0 0,12÷ 0,35

Из сравнения приведенных данных в таблице 1 видно, что модуль сдвига полиуретана «Сурэл 55-17» сопоставим с модулем сдвига резины 51-1491. Коэффициент потерь полиуретана «Сурэл 55-17» выше, чем у резины 51-1491. Исходя из анализа полученных результатов, следует, что полиуретан «Сурэл 5517» обладает динамическими характеристиками, требуемыми для изготовления упругих элементов виброизолирующих подвесок трубопроводов.

Был проведен сравнительный анализ технологии изготовления упругих элементов из резины и полиуретана. Технологическая схема производства изделий при помощи традиционного метода вулканизации включает в себя сле- дующие этапы: подготовка исходных компонентов, смешивание компонентов на вальцах, формование изделия, охлаждение на барабанной машине, вулканизацию, механическую обработку, получение готового изделия. Технология изготовления изделий из литьевых полиуретанов является менее трудоемкой и более технологичной по сравнению с традиционным способом. Она заключается в смешивании под вакуумом компонентов полиуретана (форполимера и отвердителя) и последующей заливке получившейся реакционной смеси в заливочную форму.

Заливочная форма для изготовления упругих элементов виброизолирующих подвесок корабельных трубопроводов из полиурета- на приведена на рис. 2. Пресс-форма для производства аналогичных элементов из резины приведена на рис. 3.

I

Рисунок 2. Заливочная форма для изготовления полиуретановых упругих элементов виброизолирующих подвесок трубопроводов

Рисунок 3. Пресс-форма для изготовления резиновых упругих элементов виброизолирующих подвесок трубопроводов

Образцы упругих элементов виброизолирующих подвесок корабельных трубопроводов из резины и полиуретана изображены на рис. 4.

Использование технологии изготовления виброизолирующих подвесок трубопроводов с упругими элементами из полиуретана позволяет заливать готовую смесь в форму и производить холодное отверждение. Применяемые литьевые формы значительно проще вулканизационных.

Для оценки и сравнения виброизолирующей эффективности подвесок трубопроводов с упругими элементами из резин и полиуретанов, были проведены испытания по определению статических нагрузочных характеристик упругих элементов подвесок трубопроводов из резины 51-1491 и полиуретана «Сурэл 55-17», а также были определены значения ве- личин деформаций сжатия и статических жесткостей данных упругих элементов.

Испытания проводились на испытательной машине типа UTS - 10К фирмы «Zwick/Roell» (ФРГ).

Рисунок 4. Упругие зубчатые элементы для виброизолирующих подвесок трубопроводов из резины (темные) и полиуретана (светлые)

Статические нагрузочные характеристики опытных образцов упругих элементов подвесок трубопроводов (зависимости деформации образцов от прилагаемой к ним статической нагрузки, цикл нагружение/разгружение) определялись при сжатии через стальной штамп толщиной 15 мм в направлении вертикальной оси. Образцы сжимались в развернутом виде, в горизонтальном положении.

Определялись статические нагрузочные характеристики образцов при сжатии при нагрузках от предварительной (5% значение номинальной нагрузки Рном Z) до испытательной нагрузки Рном. Скорость испытаний (нагруже-ния/разгружения) образцов 10 мм/мин. Рном = 1000 Н. Каждый образец испытывался с двух сторон. Сначала со стороны с широкими секторами, затем со стороны с узкими секторами. Статические нагрузочные характеристики опытных образцов упругих элементов подвесок трубопроводов из резины 51-1491 и полиуретана        «Сурэл 55-17» при сжатии приведе ны на рис. 5,6 Значения величин деформаций сжатия и статических жесткостей опытных образцов данных упругих элементов при сжатии под действием номинальной статической нагрузки в 1000 Н в направлении вертикальной оси приведены в таблице 2.

Нагрузка Н

Рисунок 5. Статические нагрузочные характеристики образцов упругих элементов подвесок из резины 51-1491 при сжатии в направлении оси Z

Рисунок 6. Статические нагрузочные характеристики образцов упругих элементов подвесок из полиуретана «Сурэл 55-17» при сжатии в направлении оси Z

Из данных, приведенных в таблице 2 видно, что статическая жесткость упругих элементов из полиуретана примерно в два раза меньше, чем упругих элементов из резины. Таким образом, можно сделать вывод о том, что виброизолирующая эффективность подвесок с упругими элементами из полиуретана «Сурэл

55-17» выше, чем у подвесок с упругими элементами из традиционных материалов.

На примере виброизолирующих подвесок трубопроводов с упругими элементами из полиуретана «Сурэл 55-17» показана возможность использования полиуретановых материалов для изготовления упругих элементов амортизирующих конструкций.

Таблица 2 – Значения величин деформаций сжатия и статических жесткостей опытных образцов упругих элементов подвесок трубопроводов при сжатии под действием номинальной статической нагрузки

№ п/п	Наименование образца	Усл. № образца	Номинальная статическая нагрузка Р. н ном,	Деформа-ция сжатия при номинальной нагрузке δ Д , мм	Статическая жесткость при номинальной нагрузке С ст , кН/м	Коэффициент потерь, %
1	Упругий элемент подвески из резины 51-1491 Узкие сектора	1	1000	1.10	906	22
2	Упругий элемент подвески из резины 51-1491 Широкие сектора	1	1000	1.15	866	22
3	Упругий элемент подвески из полиуретана «Сурэл 55-17» Узкие сектора	1	1000	2.22	450	22
4	Упругий элемент подвески из полиуретана «Сурэл 55-17» Широкие сектора	1	1000	2.24	446	22

Примечание: коэффициент потерь (относительная абсорбционная энергия цикла нагруже-ние/разгружение) определяется из выражения H d = (А₂ /А₁) ∗ 100%, где А₂ – площадь между кривой нагрузки и разгрузки (петля гистерезиса); А₁ – площадь под кривой нагружения (затраченная работа).

Проведенные исследования подтвердили возможность использования полиуретана в качестве материала упругого элемента амортизирующих конструкций, причем технология изготовления изделий из этого материала значительно проще по сравнению с резинами. Сравнительная оценка нагрузочных характеристик и статических жесткостей упругих элементов из резины и из полиуретана показала, что виброизолирующая эффективность подвесок с упругими элементами из полиуретана выше, чем у подвесок с упругими элементами из резины. Применение полиуретанов исключает энергоемкую стадию вулканизации при про- изводстве изделий, позволяет снизить затраты на изготовление дорогостоящей оснастки.

Такой путь модернизации существующих амортизирующих конструкций является наиболее экономически выгодным и технически целесообразным.