Blog

Высокомодульные пластмассы для внедорожного оборудования. Бет Фиглиуло, Том Зозокос

Внедорожники эксплуатируются в условиях, требующих сложных компонентов и материалов, из которых они сделаны. Эти транспортные средства и вспомогательное оборудование должны выдерживать летние месяцы в австралийской глубинке с температурой 54,4°С, а также поездки в сибирские метели при -51°С. Их также можно найти на горнодобывающих предприятиях, где они подвергаются воздействию серной кислоты, которая может серьезно повредить детали на основе полимеров, такие как направляющие кольца. И поддерживать эту внедорожную технику в экстремальных условиях – непростая задача. Поэтому детали, не требующие особого обслуживания, с длительным сроком службы, являются обязательными; они могут сделать разницу между соблюдением крайнего срока или уплатой штрафа за просрочку.

Одна группа материалов, которая выдерживает такие условия, – это высокомодульные термопласты. Модуль упругости – это механическое свойство, измеряющее эластичность материала; чем выше модуль упругости материала, тем большее напряжение или сила требуется для его деформации или сжатия.

Хотя существует три основных группы высокомодульных пластиков – аморфные термопласты, имидизированные материалы и полукристаллические термопласты, – только третья группа имеет доступные материалы, пригодные для переработки в направляющие кольца, подшипники, опорные кольца и конструктивные элементы.

В составе полукристаллических термопластов несколько основных полимеров обычно используются в экструдированных деталях для использования во внедорожных гидравлических системах:

• Полиамид (PA или нейлон)
• Полифталамид (PPA)
• Полиэфирэфиркетон (PEEK)
• Полиоксиметилин (ПОМ или ацеталь)
• Полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы (UHMW-PE)

Эти полимеры различаются по термостойкости, прочности на разрыв, модулю упругости при изгибе (жесткость на изгиб), ударной вязкости по Изоду (вязкость / сопротивление удару) и химической стойкости. Например, материалы PEEK чрезвычайно прочные и термостойкие, а UHMW-PE – прочный и устойчивый к истиранию.

Несколько различных наполнителей используются для увеличения прочности или изменения трибологических эффектов этих термопластов. Например, добавление порошка политетрафторэтилена (ПТФЭ) к гранулам, используемым при литье под давлением, может снизить трение и улучшить характеристики износа материалов из ПЭЭК, а добавление дисульфида молибдена (молибдена) к нейлону делает поверхность более твердой и износостойкой.

В термопласты можно добавлять стеклянные или углеродные волокна для повышения прочности. Типичный пример – добавление стекла к ПА для повышения прочности и уменьшения количества воды, которую будет впитывать конечный продукт. Точно так же добавление углеродного волокна к PEEK улучшает износостойкость и продлевает срок службы таких компонентов, как направляющие кольца, в условиях высоких температур.

Вообще говоря, чем выше термостойкость и прочность одного из этих термопластов, тем выше его стоимость. Например, материалы PEEK чрезвычайно прочны (рабочее напряжение до 11 000 фунтов на квадратный дюйм) и выдерживают температуры до + 232°С. Однако за такую производительность приходится платить. Для некоторых приложений дополнительная стоимость того стоит; для других может иметь смысл вместо этого использовать POM (ацеталь), UHMW или PA с наполнителем, таким как стекло.

Таблица 1: Сравнительных характеристики высокомодульных термопластов

Материал	Номинальная температура	Химическая устойчивость	Скорость охлаждения влаги
PEEK	+232°С	Превосходная	0,1%
PPA	+149°С	Превосходная / хорошая	0,35%
PA	+93°С	Хорошая / посредственная	1,6%
POM	+82°С	Посредственная / плохая	0,15%
UHMW-PE	+82°С	Превосходная	0,01%

Такие компоненты, как направляющие кольца, подшипники / втулки, опорные кольца и конструктивные детали, могут быть изготовлены из высокомодульных термопластов и будут легче своих металлических аналогов. По отдельности разница в весе каждой детали незначительна, но переход на термопластик вместо стальных компонентов, которые используются в нескольких местах на единице оборудования, может значительно снизить общий вес. Например, подушка для обуви, используемая в четырех-шести местах на вилочном погрузчике, традиционно изготавливается из литой стали. Они могут быть заменены стеклонаполненными нейлоновыми прокладками, которые все еще выдерживают те же удары и нагрузки, как компонент стали, но их вес составляет 1/6 от стальных.

Кроме того, высокомодульные пластиковые кольца могут быть модифицированы для включения внутренних смазочных материалов, что позволяет использовать их в системах, которые не требуют смазок на нефтяной основе и являются более экологически чистыми.

Другие компоненты, которые могут быть получены из высокомодульных термопластов, включают:

Направляющие кольца, изготовленные из этих пластиков, могут быть спроектированы для поглощения боковых нагрузок в поршнях и штоках в гидроцилиндре, исключая контакт металла с металлом. Они также обеспечивают коэффициент трения, длительный срок службы, хорошую химическую стойкость и высокую нагрузочную способность, а также более низкий уровень износа, чем у металла. Направляющие кольца можно приобрести с угловым вырезом для линейного перемещения, прямым вырезом для вращательного движения или ступенчатым вырезом для специальных применений .

Подшипники и втулки из пластика, такие как направляющие кольца, предотвращают контакт металла с металлом и уменьшают трение, продлевая срок службы негидравлических систем.

Опорные кольца устанавливаются в канавки для защиты и поддержки эластомерных уплотнений и предотвращения их проталкивания в зазор уплотнения. Их часто используют в гидроцилиндрах экскаваторов и сельскохозяйственных машин.

Конструкционные элементы из пластика для внедорожников, такие как износные накладки и упорные шайбы, легче и зачастую дешевле, чем металлические.

Для внедорожных деталей, которым требуется сочетание свойств высокомодульных термопластов и других полимеров, совместное впрыскивание может быть ответом. Он объединяет два полимера за одну операцию для создания многофункционального компонента. Одним из примеров может быть эластомерный материал, который действует как уплотнение и скребок, в сочетании с более прочным термопластическим материалом, который может действовать как втулка или направляющее кольцо. Этот компонент был бы идеальным формованным наконечником штока в гидроцилиндре для ковша экскаватора внедорожной машины.

Хотя технология для этих типов операций совместной закачки существует, разработчикам может быть сложно понять, как ее использовать наиболее эффективно. Чтобы получить опыт, компании должны работать с поставщиком, имеющим опыт совместного литья под давлением.

Авторы

Tom Zozokos (Том Зозокос ), директор линейки продуктов Trellborg Sealing Solutions.

Beth Figliulo (Бет Фиглиуло), менеджер сегмента гидроэнергетики в Америке в компании Trellborg Sealing Solutions.

Источник: www.machinedesign.com.