ДОЛГОВЕЧНОСТЬ РЕЗИНОВЫХ УПЛОТНИТЕЛЕЙ

ОСНОВЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ
В процессе эксплуатации резиновый уплотнитель подвергается воздействию большого числа факторов, приводящих к постепенной или мгновенной потере им работоспособности. Эти факторы можно разделить на два основных типа. К первому типу факторов следует отнести те, воздействие которых вызывает изменения в резине, зависящие от ее физической и химической природы. Ко второму типу относятся факторы, связанные с конструкцией уплотнительного соединения.


Из сказанного ясно, что долговечность уплотнителя, зависящую от факторов первого типа, можно регулировать и прогнозировать при соответствующем знании протекающих в материале процессов. Результат воздействия факторов второго типа носит случайный характер и их учет при определении долговечности связан с набором большого объема статистических данных по форсированным и натурным испытаниям уплотнителей данной конструкции. Их влияние будет рассмотрено в последующих главах.
К факторам первого типа следует отнести: время, температуру, среду, деформацию.
При вулканизации резиновой смеси, состоящей из каучука, вулканизующих агентов, наполнителей и других ингредиентов, возникают поперечные химические связи макромолекул каучука между собой с помощью вулканизующего агента. В результате образуется трехмерная сетчатая структура резины, в которой основные цепи «сшиты» поперечными связями. Участки цепи между связями сохраняют гибкость и подвижность, определяющую способность резины к большим обратимым деформациям. Под воздействием внешних условий в вулканизованной резине протекают процессы разрушения и образования новых поперечных связей, приводящие к необратимым изменениям ее свойств. Соотношение этих процессов и их скорость зависят от химической природы самих связей и интенсивности внешнего воздействия. Повышение температуры до определенного предела увеличивает скорость, не изменяя характера самих процессов. Воздействие активной среды может изменить не только скорость, но и вызвать принципиальные изменения
в характере разрушения резины. Особое место в изменении свойств резины занимает воздействие механического поля напряжений, возникающего в деформированном материале. При этом играет роль не только сам факт деформации, но и скорость, частота и продолжительность ее воздействия.
Высокоэластическое состояние является промежуточным физическим состоянием между» текучим и стеклообразным. Механические свойства резины в высокоэластическом состоянии обнаруживают элементы, свойственные как жидкому, так и твердому телу. Высокоэластическая деформация развивается под действием внешних сил как перемещение звеньев или групп звеньев макромолекулы, связанных в пространственную сетчатую структуру. Свободно перемещаться могут только отдельные участки цепных макромолекул при отсутствии заметного перемещения макромолекулы в целом. Деформация развивается путем последовательного перемещения сегментов каждого участка, т. е. протекает во времени.
Иными словами, между актом приложения нагрузки и моментом наступления в деформированном материале равновесного состояния проходит достаточно большой отрезок времени. Процессы установления равновесия, временной ход которых определяется перегруппировкой частиц под действием теплового движения, являются релаксационными. Релаксационная природа — основная особенность высокоэластической деформации резины, определяющая ее основные физико-механические свойства. Вследствие релаксационных процессов, протекающих в резине при деформации, проявляются явления ползучести и релаксации напряжения, уровень которых в свою очередь определяет долговечность материала. Проявление того или иного эффекта зависит от режима деформации резины. В зависимости от частоты деформирования различают статический и динамический режимы нагружения, а в зависимости от способа деформирования — режимы постоянной нагрузки или постоянной деформации.
В режиме постоянной нагрузки протекает непрерывный процесс увеличения начальной деформации до ее равновесного значения, т. е. ползучесть, для описания которой используют выражение
1

Ползучесть резины приводит к существенному изменению конструктивных размеров уплотнителей, поэтому этот режим нагружения, как правило, не рекомендуется для уплотнительных соединений.
В режиме постоянной деформации, в котором работает большинство уплотнительных соединений, протекает непрерывный

процесс уменьшения напряжения до его равновесного значения — релаксация напряжения, для описания которого используют выражение:
2

Релаксация напряжения резины состоит из начальной, обусловленной в основном обратимой физической релаксацией, т. е. перемещением сегментов цепи, и вторичной, характеризующей необратимую химическую релаксацию, являющуюся результатом химической реакции с кислородом и механического процесса флуктуационного разрыва связей под действием напряжения. Релаксация напряжения приводит к появлению необратимой остаточной деформации, не исчезающей после снятия нагрузки. Скорость накопления остаточной деформации характеризуется значением Я относительной остаточной деформации

3

Появление остаточной деформации свидетельствует о снижении высокоэластической восстанавливаемости, определяющей уплотнительную способность резины.
4

Если е₀ст и Я характеризуют необратимую часть деформации резины, то 8_ЭЛ и р определяют ее обратимую часть, исчезающую при прекращении действия нагрузки на образец.
Исследование процессов релаксации напряженных резин в зависимости от влияния на них основных эксплуатационных факторов позволяет решить задачу прогнозирования долговечности уплотнителей.