ЖИДКИЕ УПЛОТНИТЕЛИ

В процессе эксплуатации автомобиля многократно возникает необходимость снимать и разбирать агрега­ты и узлы. При их сборке нужно обеспечить надежную герметичность соединений, чтобы предотвратить утечку масел, топлив, газов и т. д.

Известны два метода уплотнения фланцевых соеди­нений — без герметизатора и с герметизатором. В пер­вом случае уплотнение точно обработанных поверхнос­тей достигается за счет создания давления по пло­щади контакта деталей. Во втором — между сопряга­емыми деталями устанавливают дополнительный уплотнительный элемент в твердом (эластичном) или вязком (вязкотекучем) состоянии.

Наибольшее распространение в автомобилях полу­чили твердые прокладки из картона, паронита, бума­ги, резины, полиэтилена и других полимерных мате­риалов. Размещенная между фланцами прокладка де­формируется нормальной нагрузкой, частично заполняет микровпадины уплотняемых поверхностей и препятству­ет утечкам рабочих жидкостей.

У твердых прокладок есть ряд недостатков. Необхо­димо создавать регламентированное давление на прокладку. Из-за деформации прокладки усилие уменьша­ется, а герметичность стыка нарушается: требуется пе­риодически подтягивать резьбовые соединения. А иног­да и эта мера не позволяет восстановить герметич­ность соединения. При длительной работе (или хране­нии) происходит старение уплотнительных материалов. Необходимо точно подгонять контактирующие поверхно­сти (коробление и перекосы недопустимы), а также со­блюдать определенную последовательность в затяжке резьбовых соединений. Чрезмерные усилия приводят к возникновению внутренних напряжений в сопрягаемых деталях и к их короблению, а иногда к разрушению деталей уплотнения.

Рис. 1. Схемы герметизации неподвижных соединений: а — без герметизатора; б — с жидкой прокладкой; в — с твер¬дой прокладкой; г—комбинация   твердой и жидкой прокладокРис. 1. Схемы герметизации неподвижных соединений: а — без герметизатора; б — с жидкой прокладкой; в — с твер­дой прокладкой; г—комбинация твердой и жидкой прокладок

dhdhnf2Рис. 2. Изменение толщины жидкой прокладки (h) от времени открытой выдержки состава на воздухе (т0) до сборки фланцев при различных давлениях сжатия (Рсж): 1 — Рсж=1 МПа; 2 —Рсж = 3 МПа; 3 —Рсж = 7 МПа; 4 — тол­щина жидкой прокладки между фланцами в собранном положе­нии Рсж=7 МПа

dhdhnf3Рис. 3. Зависимость критического давления разгерметизации Ркр от времени открытой выдержки: Iсж = 7 МПа; 2-Рсж = 3 МПа; 3-РСЖ = 1 МПа

dhdhnf4Рис. 4. Варианты применения жидкой прокладки: а — уплотнение соединений жидкой прокладкой; б — восстанов­ление прокладки головки блока цилиндров двигателя; в — ре­монт традиционных твердых прокладок; г — уплотнение при помощи твердой и жидкой прокладок; д — уплотнение резь­бовых соединений; е — восстановление герметичности сопряже­ния без разборки; ж — уплотнение шланга; з — исправление (восстановление) изоляции электропровода


Новым направлением является применение вязкотекучих в исходном состоянии материалов. Их называ­ют жидкими прокладками. Легко изменяя форму под нагрузкой, они заполняют все микронеровности на по­верхностях деталей и обеспечивают герметичность соеди­нения. Положительную роль играет и адгезия между жидкой прокладкой и деталью.

Вместе с тем жидкость не может обеспечить ста­бильного уплотнения при воздействии рабочей среды и других внешних факторов. Герметизатор должен обла­дать свойствами твердого (эластичного) тела. Жесткость и механическая прочность уплотнительного материала обеспечивают сохранение требуемой толщины проклад­ки, а упругие свойства способствуют сохранению кон­тактного давления. Толщина герметизатора и запас его упругости должны обеспечить компенсацию неизбежных деформаций и относительных перемещений деталей.

К материалам с такими свойствами относятся жид­кие прокладки на основе полимеров. В момент нанесе­ния они вязкие и хорошо заполняют все неровности. На рис. 1 приведены схемы уплотнения соединений различными способами.

Различают жидкие прокладки невысыхающего, высы­хающего (полувысыхающего) и отверждающего типов.

Герметизаторы невысыхающего типа позволяют уп­лотнять детали с незначительной шероховатостью, без перекосов и неровностей, с зазорами до 0,08...0,1 мм. Они длительно сохраняют пластичное или пластоэластичное состояния. Однако отсутствие упругих свойств не позволяет надежно уплотнять соединения с изменя­ющимся в процессе эксплуатации зазором. Герметиза­торы невысыхающего типа изготавливают на основе вы­соко- и низкомолекулярных полиизобутилена, бутилкаучука, этиленпропиленового каучука и высокомолекуляр­ного тиокола.

Герметики полувысыхающего и высыхающего типов после испарения растворителя образуют упругую рези-ноподобную пленку. Различие материалов состоит в сте­пени их упрочнения и в величине усадки. Высыхают та­кие герметики медленно. Есть и еще один недоста­ток — обратимость процесса. Следовательно, их физико-механические свойства непостоянны, а это снижает ка­чество герметизации. К высыхающим герметикам отно­сят материалы на основе бутадиен-нитрильного каучу­ка и эластопластов.

Отверждающиеся герметизаторы применяют для уп­лотнения неподвижных соединений с микродефектами поверхностей и отклонениями от плоскостности. После на­несения и отверждения (вулканизации) они образуют эластичную, резиноподобную пленку и способны погло­щать вибрации. Время их отверждения (вулканизации) зависит от свойств полимерной основы и температуры.

Материалы, отверждающиеся при комнатной температу­ре, называют самоотверждающимися (самовулканизи­рующимися).

Практический интерес для ремонтного производства представляют материалы на основе кремнийорганических каучуков. Самовулканизирующиеся материалы «Виксинт», КЛ, КЛТ изготавливаются на основе низкомоле­кулярных силоксановых каучуков, а марки ВГФ — фторсилоксановых. У них высокая стабильность рабо­чих характеристик и стойкость к тепловому старению. Рабочая температура может достигать 250...300 °С.

Однако такие герметизаторы трудно использовать при ремонте машин. Они многокомпонентны. Кроме то­го, у них небольшая вязкость, и в момент нанесения жидкость стекает с наклонных и вертикальных поверх­ностей деталей.

На основе низкомолекулярного силоксанового каучу­ка разработан универсальный для ремонтных целей са-моотверждающийся однокомпонентный герметизатор — жидкая прокладка ВАТТ-3 (промышленная марка КЛТ-75Т). Он предназначен для герметизации агрега­тов в стационарных и полевых условиях. Материал имеет 10-минутную жизнеспособность (отверждается за 10 мин). Это ускоряет процесс. Работа агрегата допу­скается через 20...30 мин после нанесения жидкой прокладки.

Механизм отверждения жидкой прокладки ВАТТ-3 заключается в следующем. Концевые гидроксильные груп­пы низкомолекулярного силоксанового каучука реаги­руют с функциональными группами вулканизирующего агента (метилтриацетоксисилана) в присутствии влаги воздуха. Процесс вулканизации жидкой прокладки ин­тенсивно идет в поверхностном слое состава и продол­жается по мере диффузии влаги воздуха вглубь мате­риала.

Жидкая прокладка характеризуется высокими для кремнийорганических герметизаторов деформационно-прочностными свойствами. Условная прочность при рас­тяжении 2,8 МПа, относительное удлинение около 170 %. Критическое давление разгерметизации модельного фланцевого соединения (внутренний диаметр 20 мм, на­ружный — 50 мм) при зазоре 0,3 мм составляет 6,2 МПа. Температурный диапазон эксплуатации про­кладки от —60 до 300 °С. Кроме того, она обладает высокой стойкостью к длительному тепловому старению.

При использовании самоотверждающихся жидких прокладок можно изменять способы подготовки поверх­ностей соединения и нанесения жидкой прокладки, вре­мя открытой выдержки на воздухе, давление сжатия при сборке соединения, время закрытой выдержки до начала эксплуатации агрегата.

Поверхности сопрягаемых деталей можно подготав­ливать простыми способами. Среди них механическая об­работка шлифовальным полотном средней зернистости, очистка шпателем с последующим обезжириванием бензи­ном или другим растворителем, очистка дизельным топ­ливом. Эксперименты показали, что способ подготовки оказывает существенное влияние на адгезионное взаимо­действие самоотверждающейся прокладки с элементами фланцевого соединения, которое определяет величину критического давления разгерметизации.

Обработка поверхностей шлифовальным полотном целесообразна при герметизации неразборных соедине­ний. При этом для жидкой прокладки ВАТТ-3 получе­ны следующие результаты: удельная адгезионная проч­ность O&—IJ МН/м2, критическое давление разгерме­тизации РКр=13 МПа при удельном давлении сжатия прокладки Рсж=3 МПа и открытой выдержке Т0= 10 мин.

Хорошие результаты получаются, если после механи­ческой обработки шпателем обезжирить поверхности (второй способ подготовки поверхностей). Сохраняется высокая герметизирующая способность жидкой проклад­ки и ее «следящее действие» за изменяющимся зазором за счет адгезии. При этом аа = 0,9 МН/м2, Ркр=11 МПа

при Рсж=3 МПа и т0=10 мин. Разборка узлов не вызывает затруднений.

Третий способ подготовки обеспечивает легкость разборки. Как правило, прокладки пригодны для пов­торного использования. Прокладка хуже компенсируем изменяющий зазор в соединении. Способ может приме­няться для герметизации соединений, часто подвергаю­щихся разборке. При этом аа = 0,1...0,3 МН/м2, РКр = = 4...6 МПа при Рсж=3 МПа и т0=10 мин.

Возможны также разные способы нанесения жидкой прокладки: на одну из поверхностей, на обе поверх­ности, прокладка предварительно отверждена и адгези­онно не связана с поверхностями. Однокомпонентную жидкую массу наносят на поверхность по периметру соединения, выдавливая валик из тубы. Затем можно разравнять слой прокладки шпателем.

Эксперименты и эксплуатационные испытания пока­зали, что оптимальным является способ нанесения герметизатора на одну из соединяемых деталей с исполь­зованием шпателя: время отверждения материала в закрытом стыке сокращается в 2...3 раза. , Способность самоотверждающейся жидкой проклад­ки компенсировать изменяющийся зазор в соединении исследовалась на специальной установке. Абсолютная деформация прокладки (z0')> обозначающая макси­мальный перекос фланцевого соединения в момент его разгерметизации, подсчитывалась по специальной мето­дике. Замеры выполнялись индикаторами часового ти­па с ценой деления шкалы 0,002 мм при комнатной (20 °С) и повышенных (100 и 150 °С) температурах. Равномерность давления сжатия прокладки контроли­ровалась с помощью тензометрической аппаратуры. Кроме жидкой прокладки ВАТТ-3, испытывался ряд самоотверждающихся герметизаторов и прокладки из картона, паронита и резины.

При комнатной температуре лучшими по компенси­рующей способности являются жидкие прокладки. Ху­же прокладки из резины, картона, паронита. Жидкая прокладка благодаря адгезионной связи с поверхностя­ми деталей способна компенсировать изменяющийся за­зор, несколько превышающий ее толщину в сжатом со­стоянии. Так, при толщине п = 0,2 мм и постоянном дав­лении рабочей жидкости (в агрегате) Рраб=1МПа разгерметизация наступает при z0' = 0,22 мм (для паронитовой прокладки толщиной h=l mm z0/==0,144 мм). После выдержки (24 ч при температуре 100 °С) началь­ная герметизирующая способность сохранилась только у кремнийорганических герметизаторов, для паронитовой толщиной h=l мм абсолютная деформация уменьши­лась zo' = 0,06 мм.

Учитывая, что изменение зазора в неподвижных сое­динениях узлов и агрегатов машин в процессе длитель­ной эксплуатации может достигать в среднем 0,2 мм, оптимальная толщина жидкой прокладки в стыке долж­на составлять 0,2...0,25 мм. Такая толщина обеспечива­ется оптимальными продолжительностью открытой вы­держки и усилием сжатия герметизатора.

Замеры толщины прокладки во фланцевом соеди­нении при различных открытых выдержках и давлени­ях сжатия показаны на рис. 2, а зависимость критиче­ского давления разгерметизации от времени открытой выдержки PKp = f(To) представлена на рис. 3. На нем выделены три периода.

I период от Т0 до Т ж (время жизнеспособности со­става) характеризуется преобладающими пластическими свойствами и заканчивается поверхностным пленкообразованием. При сборке в этот период толщина прок­ладки составляет 0,03...0,09 мм (при РСж=ЗиМПа), и она не способна компенсировать изменяющийся зазор в соединении.

II период от Тж до Тсс (окончание жизнеспособно­сти и сшивки макромолекул материала по всей толщине слоя). Происходит постепенное упрочнение материала с сохранением способности к пластическому деформиро­ванию и адгезионному взаимодействию, а также уда­ляется из состава основная масса побочных продуктов реакции вулканизации. Толщина прокладки изменяется от 0,09 до 0,23 мм.

III период от Тсс до Тпо (время сшивки тонкого слоя и полного отверждения герметизатора) характери­зуется быстрым ростом равновесного модуля высокоэластичности и снижением способности прокладки запол­нять микронеровности поверхностей, что приводит к снижению адгезионной прочности и уменьшению Ркр.

dhdhnf5Результаты форсированных ресурсных испытаний

При испытании ряда самоотверждающихся кремний-органических компаундов установлено, что время жиз­неспособности влияет на положение максимума на кри­вой ркр = [(то) в области времени Тсс (см. рис. 3). Смещение максимума влево (вправо) по оси абсцисс аналогично уменьшению (увеличению) времени жизне­способности. При увеличении (уменьшении) усилия сжа­тия максимум кривой смещается вверх (вниз) парал­лельно оси ординат для данного герметизатора. Это сви­детельствует, что установленная зависимость PKp = f(T0) носит обший характер для однокомпонентных гермети­заторов, отверждающихся по типу реакции поликонден­сации.

Жидкая прокладка в отличие от твердых обладает начальной герметизирующей способностью при РСж=0. Оптимальное давление для материалов на основе низ­комолекулярных силоксановых каучуков 1...3 МПа. При этом деформации достигают 30 %. Как показали ис­пытания, эти материалы могут длительное время эксп­луатироваться и при давлениях, рекомендуемых для твердых прокладок.

Контакт с бензином и другими рабочими жидкостя­ми замедляет отверждение, так как материал не взаимо­действует с влагой воздуха. Нужна обязательная пред­варительная открытая выдержка состава на воздухе, иначе бензин растворяет материал на основе низкомо­лекулярного силоксанового каучука. Минимально необ­ходимы открытая выдержка до окончания жизнеспособ­ности герметизатора и закрытая выдержка до контакта с топливом 20 мин. По внутреннему периметру стыка в соединении образуется слой вулканизата, который изолирует неотвержденный состав от воздействия агрес­сивной среды.

Хранить материал жидкой прокладки можно в гер­метичных тубах. Работоспособность не теряется после 3 лет. Характер изменения жизнеспособности состава за исследованный период позволяет предположить, что длительность хранения может составить 5 лет и более. Производственные испытания жидкой прокладки проводились на авторемонтных предприятиях и в ре­монтных мастерских. Двигатели и агрегаты силовой пе­редачи испытывали на обкаточных стендах.

Подконтрольная эксплуатация автомобилей подтвердила надежную работу жидких прокладок на протяже­нии 40...50 тыс. км пробега. Отказы агрегатов из-за прокладок не отмечались.

Форсированные ресурсные испытания жидкой про­кладки (см. таблицу) показали, что эквивалентный про­бег автомобилей превышает 200...400 тыс. км.

Жидкая прокладка ВАТТ-3 надежно заменяет кар­тонные, паронитовые, резиновые. В отдельных случаях ее можно использовать вместо асбестовых, пробковых, фибровых и других прокладок. Она способна восста­новить герметизирующую способность прокладки голов­ки блока цилиндров с устранением следующих дефек­тов: местное деформирование (обжатие) прокладки, на­рушение покрытия (оголение каркаса прокладки). Жид­кая прокладка позволяет также восстанавливать другие поврежденные прокладки, герметизировать резьбовые соединения и шланги. Ее можно использовать при восстановлении изоляции электропроводки, склеивании стекол фар и др. Варианты применения жидкой про­кладки показаны на рис. 4.

Одним из достоинств жидкой прокладки является возможность восстановления герметичности соединений без полной разборки. Таким способом восстанавливалась герметичность редукторов задних мостов автомобилей в полевых условиях.