Полые уплотнительные кольца, благодаря своей уникальной полой структуре, демонстрируют значительные преимущества в уплотнениях, требующих низкой остаточной деформации сжатия, высокой упругой компенсации или амортизации. Выбор материала напрямую влияет на эффективность уплотнения, долговечность и экономическую эффективность. В данной статье систематически анализируются распространённые материалы и области применения полых уплотнительных колец, что позволяет сформировать основу для выбора при проектировании.
1. Основные преимущества полых уплотнительных колец
По сравнению с цельными уплотнительными кольцами, полая конструкция имеет следующие характеристики:
Высокая упругая компенсация: полая структура может поглощать большую деформацию (степень сжатия может достигать более 50%) и адаптироваться к условиям динамического смещения или вибрации;
Низкое контактное напряжение: снижает потери давления на уплотнительной поверхности и продлевает срок службы оборудования;
Легкий: снижает расход материала, подходит для чувствительного к весу аэрокосмического оборудования;
Теплоизоляция/виброизоляция: Воздушная полость может блокировать передачу тепла или механическую вибрацию.
2. Распространенные материалы и сравнение их характеристик
1. Фторкаучук (FKM)
Функции:
Высокая термостойкость (-20℃~200℃), маслостойкость, стойкость к химической коррозии (кислоты, углеводородные растворители);
Диапазон твердости 65~90 по Шору А, отличная стойкость к остаточной деформации сжатия (степень деформации 150℃×70 ч <15%).
Применимые сценарии:
Топливная система, клапан химического насоса, высокотемпературное гидравлическое уплотнение;
Полые уплотнения, которые должны выдерживать воздействие сильных коррозионных сред (например, трубопроводов с концентрированной серной кислотой).
Ограничения: Низкая эластичность при низких температурах и высокая стоимость.
2. Силиконовый каучук (VMQ)
Функции:
Сверхширокий диапазон температур (-60℃~230℃), превосходная гибкость;
Высокая биосовместимость (соответствует стандартам FDA), нетоксичен и не имеет запаха;
Отличные электроизоляционные характеристики (объемное сопротивление >10¹⁵ Ом·см).
Применимые сценарии:
Медицинское оборудование, пищевые уплотнения (например, фасовочное оборудование);
Высокотемпературные печи, изоляционные уплотнения для полупроводникового оборудования.
Ограничения: Низкая механическая прочность, легко прокалывается острыми предметами.
3. Этиленпропилендиеновый мономер (ЭПДМ)
Функции:
Отличная озоностойкость и атмосферостойкость (срок службы на открытом воздухе >10 лет);
Устойчив к воздействию водяного пара и полярных растворителей (таких как кетоны и спирты);
Высокая экономичность, твердость по Шору А 40~90.
Применимые сценарии:
Система охлаждения автомобиля, уплотнение солнечного водонагревателя;
Поглощение ударов и амортизация в жарких и влажных условиях (например, судовое оборудование).
Ограничения: Неустойчив к маслам и углеводородным растворителям.
4. Гидрогенизированный бутадиен-нитрильный каучук (HNBR)
Функции:
Лучшая маслостойкость, чем у NBR, улучшенная термостойкость (-40℃~150℃);
Устойчив к коррозии под воздействием сероводорода (H₂S), обладает исключительной износостойкостью.
Применимые сценарии:
Устьевое оборудование высокого давления на нефтяных и газовых месторождениях;
Уплотнение картера автомобильного двигателя.
Ограничения: более высокая стоимость по сравнению с обычным NBR.
5. Полиуретан (ПУ)
Функции:
Сверхвысокая износостойкость (потеря износа <0,03 см³/1,61км);
Высокая механическая прочность (предел прочности на разрыв >40 МПа), хорошая маслостойкость.
Применимые сценарии:
Уплотнение поршня гидроцилиндра высокого давления (>30 МПа);
Кольцо амортизатора горнодобывающей техники, инженерного оборудования.
Ограничения: Низкая устойчивость к гидролизу, легко размягчается при высокой температуре (температура длительного использования <80°C).
6. Перфторэфирный каучук (FFKM)
Функции:
Химически стойкий потолок (устойчив к воздействию сильных кислот, сильных щелочей, плазмы);
Отличная термостойкость (-25°C~320°C).
Применимые сценарии:
Герметизация вакуумной камеры машины для травления полупроводников;
Герметизация зон повышенной радиации ядерного реактора.
Ограничения: Дороговизна (стоимость в 5–10 раз выше, чем у FKM).
3. Специальные композиционные материалы и технологии покрытий
1. Резиновый сердечник с покрытием из ПТФЭ
Структура: Внешний слой из политетрафторэтилена (ПТФЭ), покрытый сердечником из силикона или фторкаучука;
Преимущества: Коэффициент трения всего 0,05, износостойкость и антиадгезионные свойства;
Применение: уплотнители направляющих рельсов прецизионных приборов, среда безмасляной смазки.
2. Металлическое армированное полое уплотнительное кольцо
Структура: пружина из нержавеющей стали, заложенная в полость из силикона или фторкаучука;
Преимущества: Противосжатие увеличено в 3 раза, устойчивость к остаточным деформациям;
Применение: клапаны сверхвысокого давления (>100 МПа), пакеры для глубоких скважин.
3. Проводящая/антистатическая модификация
Технология: Добавить технический углерод, металлический порошок или графеновый наполнитель;
Производительность: Регулируемое объемное удельное сопротивление (10²~10⁶ Ом·см);
Применение: Взрывозащищенное оборудование, электромагнитные экранирующие уплотнения для электронных компонентов.
4. Ключевые параметры выбора и рекомендации по проектированию
Основные параметры для соответствия условиям работы:
Диапазон температур: выбранный материал должен выдерживать экстремальные температуры и обеспечивать 20% запас прочности;
Совместимость со средами: см. стандарт ASTM D471 для испытания на набухание (скорость изменения объема <10%);
Уровень давления: несущая способность полых конструкций обычно составляет 50–70 % от несущей способности сплошных уплотнительных колец.
Ключевые моменты структурного проектирования:
Оптимизация толщины стенки: рекомендуется, чтобы соотношение толщины стенки к внешнему диаметру составляло 1:4~1:6, чтобы избежать разрушения или разрыва;
Степень предварительного сжатия: рекомендуется, чтобы статическое уплотнение составляло 15–25%, а динамическое уплотнение снижается до 10–15%;
Обработка интерфейса: используйте скос под углом 45° или цельное литье, чтобы избежать участков со слабым склеиванием.
Экономические соображения:
Для пакетного применения предпочтительны EPDM или HNBR;
Для экстремальных условий эксплуатации (например, в полупроводниковой и атомной промышленности) можно выбрать FFKM или композитные материалы.
5. Типичные виды отказов и их предотвращение
Тип неисправности Причина Решение
Деформационное разрушение Недостаточная толщина стенки или избыточное давление Увеличить толщину стенки/выбрать металлическую армирующую конструкцию
Разбухание и растрескивание среды. Несовместимость материала и среды. Выберите материал заново и проведите испытание на погружение.
Хрупкое растрескивание при низких температурах Температура стеклования материала слишком высокая. Вместо этого используйте силиконовый каучук или низкотемпературный FKM.
Трение и износ Недостаточная шероховатость поверхности или отсутствие смазки Используйте покрытие ПТФЭ или добавьте смазку
Заключение
Выбор материала для полых уплотнительных колец – это комплексная дисциплина, которая учитывает баланс механических свойств, химической стойкости и стоимости. От коррозионно-стойкого фторкаучука до сверхгибкого силикона, от экономичного EPDM до высококачественного FFKM – каждый материал соответствует конкретным промышленным потребностям. В будущем, благодаря прорыву в области нанокомпозитных технологий и интеллектуальных материалов, полые уплотнительные кольца будут и дальше развиваться в направлении функциональной интеграции (например, самоопределения и самовосстановления), обеспечивая более надежные решения для герметизации высокотехнологичного оборудования.
Время публикации: 05 марта 2025 г.