1. Введение

Сочетание таких конструкционных материалов как металл и резина очень часто встречается в уплотнительных устройствах в составе того или иного оборудования. Так, пары трения "резина-металл" активно используются в кольцевых уплотнениях пневматических приводов и трубопроводной арматуры (ТПА).

При разработке уплотнительных узлов приходится решать ряд противоречащих друг другу задач. Например, необходимо не только добиваться минимизации потерь на трение, но и максимизировать при этом уровень герметичности и срок службы узла. Дело в том, что чем плотнее металлические и резиновые поверхности прилегают друг к другу, тем выше герметичность. В то же время это приводит к тому, что при линейном перемещении параллельно друг другу контактирующим поверхностям препятствуют большие силы трения. По этой причине такие уплотнения оказываются недолговечными.

Чтобы повысить работоспособность и долговечность пар трения "резина-металл", целесообразно использовать для их смазывания специальные материалы.

2. Особенности условий трения

Мягкие уплотнительные элементы, выполненные из резины, предотвращают возникновение щелей, что исключает утечку. Такой высокий уровень герметизации обеспечивается благодаря их поджатию к сопрягаемым поверхностям.

Наиболее частыми проблемами при использовании резиновых уплотнений являются:

• выдавливание конструкционного материала;
• прилипание резиновых поверхностей к металлическим;
• трудности при приведении в движение подвижных элементов (значение коэффициента трения покоя может доходить до 1,0-1,2);
• проблемы, связанные с работой уплотнений при низких и высоких температурах.

Все эти аспекты могут привести к повреждениям элементов из резины. Так, при температурах ниже нуля градусов по Цельсию эти детали становятся тверже и перестают плотно прилегать к металлическим поверхностям. В процессе же нагревания увеличивается пластичность резины, за счет чего конструкционный материал становится менее упругим.

С целью снижения силы трения между резиновыми и металлическими поверхностями металл полируют. Однако при этом повышается качество поверхности, а значит, увеличивается контактная площадь, что, в свою очередь, приводит к росту коэффициента трения.

В парах трения "металл-резина" в роли разделительной среды могут выступать смазки. Их основные задачи:

• повышение герметичности;
• уменьшение адгезии;
• снижение трения и мощности, которая необходима для привода устройств;
• уменьшение разницы между коэффициентами трения покоя и трения скольжения.

Подбор смазочных материалов – весьма сложная задача, в ходе решения которой необходимо учитывать не только параметры процессов трения и износа, но и условия применения в конкретных ситуациях.

Среди многочисленных критериев выбора пластичных смазочных материалов выделяют:

• значение верхней и нижней границы диапазона рабочих температур;
• значение коэффициента трения в определенной паре материалов;
• совместимость с конкретным уплотнительным материалом;
• устойчивость к рабочей среде.

В случае с парами трения "металл-резина" огромное значение имеет базовое масло в составе пластичной смазки. Так, минеральные масла подходят только для некоторых разновидностей резин, не вызывая их усадку или набухание. Синтетические масла на базе силиконовых компонентов (полифенилметилсилоксанов, полидиметилсилоксанов, фторсиликонов) совместимы с большим количеством типов резин.

Они выполняют следующие функции:

• создание сплошного разделительного слоя на поверхности уплотнительных деталей;
• улучшение антиадгезионных и антифрикционных характеристик резины;
• защита уплотнений от старения и агрессивного влияния окружающей среды;
• облегчение монтажа.

Cиликоновые масла характеризуются:

• высоким индексом вязкости;
• термостабильотью;
• окислительной стабильностью;
• химостойкостью. 

Такие свойства позволяют использовать силиконовые масла и пластичные смазки, в составе которых они являются базовым компонентом, для обслуживания уплотнительных устройств ТПА при температурах -70…+230 градусов по Цельсию в условиях вакуумной и химически активных сред.

3. Материалы от компании Dow Corning для пар трения "резина-металл"

Американская компания Dow Corning, которая вот уже многие годы является лидером в сфере разработок спецматериалов на кремнийорганической основе, создала линейку силиконовых смазок под брендами Molykote и Dow Corning. Среди этих материалов насчитывается несколько десятков пластичных смазок, масел и компаундов. В таблице 1 приведены физико-химические свойства и эксплуатационные характеристики некоторых таких составов.

Таблица 1. Материалы Molykote и Dow Corning для пар трения "резина-металл"

Название материала	Базовое масло/Загуститель	Диапазон рабочих температур, °С	Характерные особенности
Пластичные смазки
Molykote PG-21	Полидиметилсилоксан/Литиевый комплекс	-50…+190	Оптимальный баланс свойств, водостойкость
Molykote 33 Medium	Полифенилметилсилоксан/Литиевое мыло	-73…+204	Морозо- и термостойкость
Molykote 55 O-Ring	Полифенилметилсилоксан, эфир/Литиевое мыло	-65…+175	Применение для смазывания кольцевых уплотнений в широком диапазоне температур
Molykote 3451	Фторсиликон/Политетрафторэтилен	-40…+232	Устойчивость к химически агрессивным средам
Molykote 3452	Фторсиликон/Политетрафторэтилен	-31…+232	Устойчивость к химически агрессивным средам
Силиконовые компаунды
Molykote G-5511	Полидиметилсилоксан/Политетрафторэтилен	-40…+200	Высокая несущая способность, применение в арматуре систем водоснабжения
Molykote 111	Полидиметилсилоксан/Кремнезем	-40…+204	Герметизирующая способность
Dow Corning 4	Полидиметилсилоксан/Кремнезем	-40…+200	Электроизоляционные свойства
Dow Corning 7	Полидиметилсилоксан/Кремнезем	-40…+204	Разделительные свойства
Масла
Molykote Separator Spray	Полидиметилсилоксан/-	-40…+200	Разделительные свойства

Пластичные смазки Molykote 3452 и Molykote 3451 нашли свое применение на предприятиях нефтехимического сектора. Эти составы произведены на базе фторсиликонового масла и политетрафторэтилена (ПТФЭ). Причем ПТФЭ выступает и как загуститель и как антифрикционная добавка. Molykote 3452 и Molykote 3451 обладают высокой стойкостью к растворителям и топливу.

Низкий коэффициент трения в паре "резина-металл" обеспечивает Molykote 55 O-Ring – пластичный смазочный материал на основе силиконового масла и литиевого мыла. Эта смазка также способна выдерживать воздействие высоких температур (до +175 градусов по Цельсию). Она подходит для применения в пневмоустройствах и системах быстрого срабатывания.

Благодаря уникальным наборам рабочих характеристик в настоящее время набирают популярность силиконовые компаунды от Dow Corning. Они отличаются главным образом тем, что способны одновременно обеспечивать герметичность соединений и смазывать их, сохраняя подвижность элементов. Эти материалы также обладают следующими достоинствами:

• устойчивость к химикатам;
• безопасность для здоровья людей;
• хорошие электроизоляционные свойства.

Благодаря безвредности компаундов Dow Corning для человека их можно использовать при обслуживании узлов пищевого оборудования, в системах питьевого водоснабжения и технике в других отраслях (илл. 1).

Илл. 1. Использование силиконового компаунда Molykote 111 при монтаже дискового затвора

Кроме того, эти составы эффективно работают в электроконтактах и разъемах (в т. ч. в подводных электрокоммуникациях), повышая их герметичность.

В рамках подбора смазок и методов предварительной подготовки контактных площадок необходимо провести целый ряд мероприятий, среди которых выполнение требуемых расчетов, лабораторные и стендовые испытания.

4. Результаты испытаний

В некоторых видах работ принимают участие научно-исследовательские лаборатории и центры. В одной из таких лабораторий было проведено комплексное исследование пар трения "резина-металл".

В процессе испытаний между контактирующими площадками за счет высокого контактного давления образовывалась тонкая граничная смазочная пленка. Исходя из анализа работы пленочного слоя, отслеживалось, насколько эффективно силиконовые смазки препятствовали прилипанию резины к металлу в состоянии покоя.

В таблице 2 приведены некоторые результаты исследований трибологических характеристик при смазывании стали в паре с различными резинами.

Таблица 2. Результаты исследований пар трения "резина-металл" по определению коэффициентов трения покоя в воде при применении смазок торговых марок Dow Corning и Molykote

Марка резины	Марка смазки	Рабочая среда	Коэффициент трения покоя сразу после нагружения, f	Коэффициент трения покоя после нагружения и 24-часовой выдержки, f24
38-ПС-04	Без смазки	Вода	0,81	0,97
38-ПС-04	Dow Corning 7	Вода	0,10	0,25
38-ПС-04	Molykote PG-21	Вода	0,09	0,18
38-ПС-04	Molykote Separator Spray	Вода	0,15	0,36
АН-140	Без смазки	Вода	0,25	0,47
АН-140	Dow Corning 7	Вода	0,14	0,33
АН-140	Molykote PG-21	Вода	0,12	0,27
АН-140	Molykote Separator Spray	Вода	0,10	0,36
ИРП 1068	Без смазки	Вода	0,38	0,59
ИРП 1068	Dow Corning 7	Вода	0,10	0,25
ИРП 1068	Molykote PG-21	Вода	0,10	0,19
ИРП 1068	Molykote Separator Spray	Вода	0,11	0,33
Н-409	Без смазки	Вода	0,25	0,42
Н-409	Dow Corning 7	Вода	0,10	0,28
Н-409	Molykote PG-21	Вода	0,07	0,23
Н-409	Molykote Separator Spray	Вода	0,13	0,47

Из таблицы 2 видно, что силиконовые материалы от компании Dow Corning существенно уменьшают коэффициент трения покоя и сразу после подачи нагрузки, и после 24-часовой выдержки.

На диаграммах (илл. 2 (а, б)), расположенных ниже представлены средние значения коэффициентов трения покоя f и f24 материалов Dow Corning для различных видов резин.

Илл. 2. Значения коэффициентов трения покоя f сразу после нагружения (а) и после выдержки в нагруженном состоянии в течение 24 часов f24 (б)

5. Заключение

Смазочные материалы оптимизируют рабочие характеристики пар трения "резина-металл", повышают энергоэффективность, уровень их герметичности, а также эксплуатационный ресурс. Однако приблизительно 75 % отказов узлов ТПА возникают за счет проблем, которые связаны с сильным трением в уплотнениях.

Ощутимо сократить количество таких отказов помогут подходящие смазочные материалы. При их выборе необходимо учитывать эксплуатационные факторы и конструктивные особенности узла. Это подтверждено результатами исследований, приведенных в данной статье.