Полыя ўшчыльняльныя кольцы з іх унікальнай канструкцыяй маюць значныя перавагі ў выпадках герметызацыі, якія патрабуюць нізкай рэшткавай дэфармацыі пры сцісканні, высокай пругкай кампенсацыі або паглынання ўдараў. Выбар матэрыялу непасрэдна ўплывае на характарыстыкі герметызацыі, даўгавечнасць і эканамічную эфектыўнасць. У гэтым артыкуле сістэматычна аналізуюцца распаўсюджаныя матэрыялы і прыдатныя сцэнарыі выкарыстання полых ушчыльняльных кольцаў, каб забяспечыць аснову выбару для інжынернага праектавання.
1. Асноўныя перавагі полых ушчыльняльных кольцаў
У параўнанні з суцэльнымі ўшчыльняльнымі кольцамі, полыя канструкцыі маюць наступныя характарыстыкі:
Высокая пругкая кампенсацыя: полая структура можа паглынаць большую дэфармацыю (ступень сціску можа дасягаць больш за 50%) і адаптавацца да дынамічных зрушэнняў або ўмоў вібрацыі;
Нізкае кантактнае напружанне: памяншае страты ціску на ўшчыльняльнай паверхні і падаўжае тэрмін службы абсталявання;
Лёгкі: Зніжэнне расходу матэрыялаў, падыходзіць для аэракасмічнага абсталявання, адчувальнага да вагі;
Цеплаізаляцыя/вібраізаляцыя: паветраная поласць можа блакаваць цеплаперадачу або механічную вібрацыю.
2. Распаўсюджаныя матэрыялы і параўнанне іх характарыстык
1. Фторкаўчук (FKM)
Асаблівасці:
Высокатэмпературная ўстойлівасць (-20℃~200℃), устойлівасць да алею, хімічная карозія (кіслоты, вуглевадародныя растваральнікі);
Цвёрдасць па Шору А: 65~90, выдатная ўстойлівасць да рэшткавай дэфармацыі пры сціску (хуткасць дэфармацыі <15%) пры 150℃×70h.
Прыдатныя сцэнарыі:
Паліўная сістэма, клапан хімічнага помпы, высокатэмпературнае гідраўлічнае ўшчыльненне;
Полыя ўшчыльняльнікі, якія павінны вытрымліваць моцныя агрэсіўныя асяроддзя (напрыклад, трубаправоды з канцэнтраванай сернай кіслатой).
Абмежаванні: нізкая эластычнасць пры нізкіх тэмпературах і высокі кошт.
2. Сіліконавая гума (VMQ)
Асаблівасці:
Звышшырокі дыяпазон тэмператур (-60℃~230℃), выдатная гнуткасць;
Высокая біясумяшчальнасць (адпавядае стандартам FDA), нетаксічны і без паху;
Выдатныя электраізаляцыйныя характарыстыкі (аб'ёмнае супраціўленне >10¹⁵ Ом·см).
Прыдатныя сцэнарыі:
Медыцынскае абсталяванне, харчовыя ўшчыльняльнікі (напрыклад, машыны для разліву);
Высокатэмпературныя печы, ізаляцыйныя ўшчыльняльнікі паўправадніковага абсталявання.
Абмежаванні: нізкая механічная трываласць, лёгка праколваецца вострымі прадметамі.
3. Этыленпрапілендыенавы манамер (EPDM)
Асаблівасці:
Выдатная ўстойлівасць да азону і надвор'я (тэрмін службы на адкрытым паветры >10 гадоў);
Устойлівы да вадзяной пары і палярных растваральнікаў (такіх як кетоны і спірты);
Высокая эканамічнасць, дыяпазон цвёрдасці 40~90 па Шору А.
Прыдатныя сцэнарыі:
Сістэма астуджэння аўтамабіля, ўшчыльненне сонечнага воданагравальніка;
Паглынанне і буферызацыя ўдараў у гарачых і вільготных умовах (напрыклад, суднавае абсталяванне).
Абмежаванні: Не ўстойлівы да ўздзеяння нафты і вуглевадародных растваральнікаў.
4. Гідрагенізаваны нітрылавы каўчук (HNBR)
Асаблівасці:
Лепшая ўстойлівасць да алею, чым у NBR, палепшаная тэмпературная ўстойлівасць (-40℃~150℃);
Устойлівы да карозіі серавадароду (H₂S), выдатная зносаўстойлівасць.
Прыдатныя сцэнарыі:
Абсталяванне для працы пад высокім ціскам у нафтагазавых радовішчах;
Ушчыльненне картэра рухавіка аўтамабіля.
Абмежаванні: больш высокі кошт, чым у звычайнага NBR.
5. Паліурэтан (ПУ)
Асаблівасці:
Звышвысокая зносаўстойлівасць (страты ад зносу <0,03 см³/1,61 км);
Высокая механічная трываласць (трываласць на расцяжэнне >40 МПа), добрая ўстойлівасць да алею.
Прыдатныя сцэнарыі:
Ушчыльненне поршня гідраўлічнага цыліндру высокага ціску (>30 МПа);
Горназдабыўное абсталяванне, амартызацыйнае кольца інжынернага абсталявання.
Абмежаванні: нізкая ўстойлівасць да гідролізу, лёгка размякчаецца пры высокай тэмпературы (тэмпература працяглага выкарыстання <80°C).
6. Перфторэфірны каўчук (FFKM)
Асаблівасці:
Хімічна ўстойлівая столь (устойлівая да моцных кіслот, моцных шчолачаў, плазмы);
Выдатная тэмпературная ўстойлівасць (-25°C~320°C).
Прыдатныя сцэнарыі:
Герметызацыя вакуумнай камеры паўправадніковага траўлення;
Герметызацыя зоны падвышанага выпраменьвання ядзернага рэактара.
Абмежаванні: дарагі (кошт у 5~10 разоў вышэйшы за FKM).
3. Спецыяльныя кампазітныя матэрыялы і тэхналогіі пакрыцця
1. Гумовы стрыжань з пакрыццём з PTFE
Структура: вонкавы пласт з політэтрафторэтылену (ПТФЭ), пакрыты сіліконам або фторкаўчукавым асяродкам;
Перавагі: каэфіцыент трэння да 0,05, зносаўстойлівасць і адгезія;
Ужыванне: Ушчыльненні накіроўвалых рэйак дакладных прыбораў, асяроддзе змазкі без алею.
2. Полае ўшчыльняльнае кольца, узмоцненае металам
Структура: спружына з нержавеючай сталі, убудаваная ў сіліконавую або фторкаўчуковую поласць;
Перавагі: У 3 разы павялічаная супрацьсціскальная здольнасць, устойлівасць да рэшткавай дэфармацыі;
Прымяненне: клапаны звышвысокага ціску (>100 МПа), пакеры для глыбокіх свідравін.
3. Праводная/антыстатычная мадыфікацыя
Тэхналогія: дадаць сажу, металічны парашок або графенавы напаўняльнік;
Характарыстыкі: рэгуляванае аб'ёмнае супраціўленне (10²~10⁶ Ом·см);
Прымяненне: выбухаабароненае абсталяванне, электрамагнітныя экраніруючыя ўшчыльняльнікі для электронных кампанентаў.
4. Асноўныя параметры для выбару і рэкамендацыі па праектаванні
Асноўныя параметры для супастаўлення ўмоў працы:
Тэмпературны дыяпазон: абраны матэрыял павінен пакрываць экстрэмальныя тэмпературы і мець запас трываласці 20%;
Сумяшчальнасць з асяроддзем: Глядзіце стандарт ASTM D471 для выпрабаванняў на набраканне (хуткасць змены аб'ёму <10%);
Узровень ціску: Грузападымальнасць полых канструкцый пад ціскам звычайна складае 50%~70% ад грузападымальнасці цвёрдых ушчыльняльных кольцаў.
Ключавыя моманты канструкцыйнага праектавання:
Аптымізацыя таўшчыні сценкі: рэкамендуецца суадносіны таўшчыні сценкі да вонкавага дыяметра 1:4~1:6, каб пазбегнуць абвальвання або разрыву;
Ступень папярэдняга сціскання: рэкамендуецца статычнае ўшчыльненне 15%~25%, а дынамічнае ўшчыльненне зніжаецца да 10%~15%;
Апрацоўка інтэрфейсу: выкарыстоўвайце фаску 45° або цэльнае ліццё, каб пазбегнуць участкаў са слабым злучэннем.
Эканамічныя меркаванні:
Для пакетнага прымянення пераважней выкарыстоўваць EPDM або HNBR;
Для экстрэмальных умоў працы (напрыклад, у паўправадніковай і ядзернай прамысловасці) можна выбраць FFKM або кампазітныя матэрыялы.
5. Тыповыя рэжымы адмоваў і іх прадухіленне
Тып памылкі Прычына Рашэнне
Дэфармацыйны калапс Недастатковая таўшчыня сценкі або залішні ціск Павялічце таўшчыню сценкі/выберыце канструкцыю металічнай арматуры
Набраканне і расколіны асяроддзя. Несумяшчальны матэрыял і асяроддзе. Паўторна выберыце матэрыял і правядзіце выпрабаванне на апусканне.
Нізкатэмпературнае далікатнае растрэскванне. Тэмпература шклавання матэрыялу занадта высокая. Выкарыстоўвайце сіліконавы каўчук або нізкатэмпературны FKM.
Трэнне і знос Недастатковая шурпатасць паверхні або адсутнасць змазкі Выкарыстоўвайце пакрыццё з ПТФЭ або дадайце змазку
Выснова
Выбар матэрыялу для полых ушчыльняльных кольцаў — гэта комплексная дысцыпліна, якая ўраўнаважвае механічныя ўласцівасці, хімічную ўстойлівасць і кошт. Ад каразійна-ўстойлівага фторкаўчуку да ультрагнучкага сілікону, ад эканамічна эфектыўнага EPDM да высакаякаснага FFKM — кожны матэрыял адпавядае канкрэтным прамысловым патрэбам. У будучыні, з прарывам нанакампазітных тэхналогій і інтэлектуальных матэрыялаў, полыя ушчыльняльныя кольцы будуць далей развівацца ў напрамку функцыянальнай інтэграцыі (напрыклад, самаадчуванне і самааднаўленне), забяспечваючы больш надзейныя рашэнні для герметызацыі высокакласнага абсталявання.
Час публікацыі: 05 сакавіка 2025 г.