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氫化丁腈密封圈又稱丁二烯一丙烯腈橡膠

發布時間:2018.03.26     瀏覽次數:     新聞來源:https://www.qdewind.com
氫化丁腈密封圈  氫化丁腈密封圈又稱丁二烯一丙烯腈橡膠,簡稱NBR,是由丁二烯和丙烯腈經乳液聚合法製得的,平均分子量70萬左右。灰白色至淺黃色塊狀或粉狀固體,相對密度0.95~1.0。丙烯腈含量為26%的丁腈橡膠玻璃化溫度Tg=一52℃,脆化溫度Tb=一47℃,而丙烯腈含量為40%的丁腈橡膠玻璃化溫度Tg=一22℃。溶解度參數δ=8.9~9.9,溶於醋酸乙酯、醋酸丁酯、氯苯、甲乙酮等。氫化丁腈密封圈具有優良的耐油性,其耐油性僅次於聚硫橡膠和氟橡膠,並且具有的耐磨性和氣密性。丁晴橡膠的缺點是不耐臭氧及芳香族、鹵代烴、酮及酯類溶劑,不宜做絕緣材料。耐熱性優於丁苯橡膠、氯丁橡膠,可在120℃長期工作。氣密性僅次於丁基橡膠。丁腈橡膠的性能受丙烯腈含量影響,隨著丙烯腈含量增加拉伸強度、耐熱性、耐油性、氣密性、硬度提高,但彈性、耐寒性降低。丁腈橡膠耐臭氧性能和電絕緣性能不佳。耐水性較好。  二、氫化丁腈橡膠  氫化丁腈橡膠HNBR是在NBR基礎上的高性能橡膠品種。對NBR鏈段上丁二烯單元進行選擇氫化,不飽和雙鍵加氫反應生成飽和碳-碳單鍵。  HNBR在分子結構上的特點,使其具有良好的耐熱和耐老化性能、耐含腐蝕性添加劑的汽車用油的性能、耐低溫性能,以及具有能在高溫下仍保持與常溫相當的物理機械性能的品質。    三、HNBHNBR工業級產品及應用  目前工業化生產主要品種有德國Bayer公司的Therban係列、加拿大Polysar公司的Tornac係列和日本Zeon公司的Zetpol係列。  HNBR以其優異的耐油、耐熱和耐老化性能已在發達國家的汽車、油田等工程領域得到廣泛應用。  在汽車工程中的應用:汽車傳動係統油封、燃油噴射係統密封件、同步齒輪帶、轉向油管等部件。在油田工程中的應用:井口密封、油賽密封、泵定子保護器、鑽井平台配套軟管等。  在機械工程中的應用:靜、動密封場密封件。 其他應用:主要方向為塑料、橡膠的共混改性技術。    四、二硫化鉬改性HNBR摩擦學性能及其在特大尺寸轉塔密封圈中 的應用  某型密封圈是大型方位軸承和俯仰軸承及其轉塔內機械、電器設備的動態密封屏障,必須具備兩項使用性能:(1)密封性好;(2)滑動摩擦阻尼小。密封圈首先要達到密封要求,尤其是對Y型密封圈要求更高,應達到氣密封的要求。該氣密封指標為當密封圈內外壓差為10毫巴時氣體泄漏量不超過5升/分鍾。密封性依賴於密封圈的密封邊變形壓緊力是否既大而又持久。密封圈必須同時具有摩擦阻尼小,不影響軸承的運動靈活性的特點。這樣既要求密封圈材料的摩擦係數要小,又要求Y型密封圈的密封邊變形壓緊力也要小。  要滿足密封圈的良好密封性和低摩擦阻尼性,在密封邊變形壓緊力的設計上存在矛盾,隻能是力求達到密封邊變形壓緊力適當,在滿足氣密封要求的基礎上,再盡量降低密封邊變形壓緊力,氫化丁腈密封圈使得當大轉塔的推力滾動軸承摩擦係數不超過0.01時,大轉塔的旋轉起動力矩不超過1000Nm,達到發射轉塔的總體設計要求。根據密封圈對材料的性能要求,對三種橡膠進行配方設計的係統研究。對比配方材料的性能采取兼顧強度和彈性、突出壓縮永久變形性能、保證低摩擦係數和抗老化性能的原則。橡膠的滑動摩擦係數通常較大。為了降低橡膠的摩擦係數,在配方中選用二硫化鉬(MoS2)、聚四氟乙烯(PTFE)和石墨等固體潤滑劑作為減摩添加劑。這些減摩劑通常用於塑料的減摩改性,引入橡膠後預期也能降低摩擦係數,同時在密封圈長期使用後失油而幹摩擦時,能起到一定的固體潤滑保護作用,防止密封圈摩擦和磨損失效。但是在配方設計和篩選中,必須避免這些減摩劑的加入對橡膠強度和彈性特別是對壓縮永久變形的不利影響。  根據動密封的特點,在橡膠材料配方設計上,將硬度預期值定為70~75度(邵爾A型)左右,並且確定硬度的允許範圍為65~80度,在橡膠配方篩選中,超出硬度允許範圍的配方一般於以舍去。補強劑采用了活性較大的半補強碳黑和高耐磨碳黑,前者有利於降低壓縮永久變形,氫化丁腈密封圈後者有利於提高耐磨性。  在密封圈的研製階段中,先後設計了70多種配方,進行了6輪橡膠配方設計、改進和篩選。配方編號中第一個數字代表膠種,如“7”代表NBR/PVC,“8”代表NBR,“2”代表HNBR。後兩個數字代表不同的配方組成。  首先通過配方材料的強度、彈性和硬度性能的對比,進行三輪配方材料和硫化工藝參數的篩選,選出17種配方,其機械性能試驗結果見表1。然後比較壓縮永久變形性能優劣,從中優選出8種配方材料(見表1)。再進行滑動摩擦磨損性能試驗研究,試驗結果列於表1。通過摩擦係數、耐磨性的進一步對比,優選出各種係列的最佳配方各一種,即HNBR係列配方的2-42、NBR係列的8-42和NBR/PVC係列的7-32。最後對上述三種配方材料進行大車膠料的材料性能全麵測試評價,確定2-42的HNBR配方材料性能最佳。  因此,雖然在密封圈研製的試樣階段采用了國產膠料NBR和NBR/PVC的配方材料8-42和7-32,氫化丁腈密封圈其材料性能除使用壽命外也基本滿足技術要求,而從正樣開始直至後來的試生產產品,均采用2-42的HNBR材料。 橡膠材料耐磨粒磨損性能通常是優異的,而本項目密封圈使用時磨損形式為橡膠密封邊與軸承的鋁合金陽極氧化光滑表麵間滑動摩擦磨損。因此,滑動摩擦磨損試驗在瑞士造Amsler摩擦磨損試驗機上進行。摩擦副采用環/塊對磨形式,橡膠試樣為7×30×2.5(mm),工作表麵為7×30(mm)表麵,對磨的環為Φ40×10(mm),采用LY12硬質鋁合金表麵硬質陽極氧化處理,表麵硬度350~400HV,相對滑動線速度0.42m/s,試驗負荷50N,試驗時間為2hr。每種配方試樣進行3次平行試驗,取平均值。  從表2中可見,滴油潤滑情況下,摩擦係數很接近,配方不同幾乎沒有影響,而且都達到項目技術指標的要求;幹摩擦和塗潤滑脂時,7-32和8-42兩種配
方材料在各自係列中摩擦係數最低,磨損量最小。因此,選定7-32和8-42以及2-42配方為下一步大車膠料的材料各項性能試驗考核的配方。由於該項目研究的密封圈尤其是Y型密封圈是長期處於壓縮變形下的動密封圈,為了保證其動密封特性,在選擇膠型和設定硫化體係時,著重考慮不同橡膠牌號和硫化劑對材料壓縮永久變形率的影響,再考慮耐溫性能、耐磨性能和加工工藝性能等。密封圈台架試驗  為了評價d截麵設計作為正樣密封圈結構的密封可靠性和運轉阻尼,防止所設計的截麵結構剛性太小,檢查密封條試樣的壓緊力與變形量試驗結果是否符合密封圈,按照d截麵設計的形狀尺寸,設計和製造了相當於正樣密封圈1/6~1/4大小的Φ350mm模擬台架試驗用密封圈的硫化模具,試製了4隻Φ350mm密封圈,其材料采用製造密封圈的2-42配方膠料。  密封圈模擬試驗台架是借助於35毫米立式鑽床,自行設計製造了上、下密封盤和連接法蘭、軸等一套密封機構,並且配置U型水銀壓力計和充N2氣係統。Φ350mm密封圈嵌裝在下盤的槽中,氫化丁腈密封圈與上盤平麵壓緊密封,當上盤轉動時,密封圈與上盤對磨,上盤材質為45鋼,表麵光潔度為▽6,密封麵塗航空7253潤滑脂。  首先進行動態氣密封性試驗。密封上盤由鑽床驅動,轉速68rpm,線速度為1.25m/s。實際軸承最大轉速14rpm,其最大線速度為方位軸承1.56m/s和俯仰軸承1.02m/s,台架試驗線速度為兩者之平均值。密封圈和上、下盤圍成的空間內充N2氣體,達表壓15毫巴。將密封圈壓縮變形0.67mm左右,連續轉動70分鍾,從U型水銀壓力計的顯示可見,始終無氣體泄漏;試驗後觀察密封圈的摩擦接觸麵,未見有表麵磨痕。  然後進行運轉阻尼試驗。把15kg重的上盤自由放在密封圈上,緩慢拉轉上盤,由彈簧測力器測量出起動摩擦力在16N左右,但隨著上盤不停轉動,摩擦力逐漸增大到80N左右。這時若提取上盤可發現密封圈緊緊吸住上盤,表明Y形狀的雙密封邊的腔內產生氣體真空吸附,摩擦力顯然受到真空吸附力影響,而且這種影響遠遠大於變形壓緊力的作用,因此運轉阻尼過大。  針對Y型雙邊密封產生真空吸附造成運轉阻尼過大的問題,采取將Y形狀的內側密封邊剪短2~3mm的措施,使之不再起密封作用,剩餘部分相當於Y型單邊密封圈,再進行與上述相同的氣密封和運轉阻尼模擬台架試驗。  動態氣密封性能試驗仍采用摩擦線速度1.25m/s,充N2表壓15毫巴,連續運轉70分鍾,密封圈壓縮變形量定為1.0mm左右,試驗結果氣體泄漏量為0,密封圈摩擦接觸麵無磨痕。這表明Y型單邊密封圈的動態和靜態密封性能,遠遠優越於項目技術指標的要求(項目技術指標要求在內外壓差為10毫巴時氣體泄漏量不超過5立升/分鍾)。試驗還證明密封圈材料的耐磨性也較好。  運轉阻尼試驗結果為,當15kg重的上盤自由放在密封圈上後,密封圈壓縮變形量約1.5mm左右,運轉阻尼力始終在13N左右。這就表明密封圈改為單邊密封後,密封邊滑動摩擦係數約為0.09。將上述試驗結果換算到Φ2134mm方位軸承密封圈上,假定壓縮變形量為1.5mm,則運轉阻尼力為79N左右,仍在允許範圍內。  項目研究小組總結分析了氣密封和運轉阻尼模擬台架試驗結果,向軍工主管單位航天機電集團二院206所提出Y型密封圈由雙邊密封改為Y型長短腳單邊密封的重大改進方案,得到批準以後,從正樣密封圈開始予以實施。現設計Y型密封圈密封邊高度20.5mm,非密封邊高度為18.5mm。軸承密封間隙約19.3mm左右,則密封邊壓縮變形設計值約為1.2mm。非密封邊對保存潤滑脂和結構均衡性仍起到一定作用。所項目研究小組按照上述新的截麵設計方案,重新設計和精密加工大型橡膠硫化模具,4米長整體加工再分割成3米和1米長兩套模具,從而保證了密封圈產品截麵形狀和尺寸精度符合設計要求和項目的技術指標要求,使正樣試製和批生產獲得成功。
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