ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

«Диффузионная поверхностная модификация для упрочнения резинотехнических изделий»

Рекомендуемая область пременения

Машиностроительное производство, гидравлический, пневматический и комбинированный пневмогидравлический приводы, объёмные гидропневмоагрегаты:
- гидропневмоцилиндры возвратно-поступательного действия;
- поршневые и плунжерные гидропневмоагрегаты и, в частности, буровые и нефтепромысловые насосы;
- стендово-испытательное оборудование с гидропневматическими устройствами;
- манжетные уплотнения возвратно-поступательного типа;
- манжеты - уплотнители вращающихся валов;
- различные уплотнительные элементы и устройства в системах как возвратно-поступательного, так и вращательного действия;
- уникальные резинометаллические уплотнители типа рабочих уплотняющих элементов универсальных и вращающихся превенторов;
- резиновые системы и устройства, работающие на нетрадиционных рабочих средах.

Назначение, цели и задачи проекта

Основное назначение проекта - повышение износостойкости и долговечности резинотехнических изделий при снижении коэффициента трения между резиновой упрочнённой поверхностью и металлической или полимерной взаимодействующей поверхностью при различных уровнях давления рабочей среды - от 0,05 МПа (в уплотнениях вращательного действия) до 70 - 150 МПа в гидроприводах, агрегатах и системах возвратно-поступательного действия. Ряд специальных резинометаллических уплотнителей, работающих в экстремальных условиях, например в составе буровых насосов, имеют крайне низкий технический ресурс, измеряемый десятками часов. Поэтому повышение износостойкости подобных уплотнителей - это особо актуальная научно-техническая проблема.

Исходя из этого, целями и задачами проекта является реальное повышение эксплуатационно-технологических показателей различных резинотехнических изделий при разнообразных, в том числе экстремальных, условиях эксплутации:

- повышение не только износостойкости, но и снижение контактных давлений в сопрягаемых деталях;

- снижение температуры нагрева в процессе работы за счет уменьшения коэффициента трения и контактных давлений;

- устранение термодеструкции резины (преждевременного разрушения деталей) за счет уменьшения контактной температуры;

- снижение энергоемкости гидропневматических систем за счет уменьшения силы трения;

- снижение габаритов и массы гидропневмосистем за счет упразднения (в ряде случаев) системы охлаждения пар трения.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

Как известно, резинотехнические изделия получают методом вулканизации в прессформах под определёнными давлениями и заданной температуре. Для маслобензостойкой резины, широко применяемой в пневмогидравлических системах, температура вулканизации составляет 140-150 °С; отдельные марки резины вулканизируют при 170 °С. Температура -130 °С - это тот предел, выше которого не должна нагреваться деталь (её поверхностный рабочий слой). В противном случае наступает термодеструкция рабочей поверхности - происходит выкрашивание наиболее нагретых и нагруженных участков. Дальнейшее повышение температуры приводит к разрушению детали. Это относится и к резинометаллическим деталям, в которых может выкрашиваться и даже отламываться резиновая составляющая.

Повышение прочности и износостойкости резинотехнических изделий производится за счёт всевозможных добавок в «сырую» резину (перед вулканизацией). Но эти добавки дают незначительный эффект, поскольку основные резервы уже использованы. Для резиновых и резинометаллических деталей гидропневмосистем должна применяться маслобензостойкая резина на основе бутадиен-нитрильных каучуков. Возможности этой резины ограничены, поэтому технический ресурс резинотехнических изделий в составе пар трения не отвечает современным требованиям. Повышение рабочих скоростей, работа некоторых резинотехнических изделий в нетрадиционных, в том числе в агрессивных и абразивосодержащих средах, приводит к снижению и без того недостаточного технического ресурса.

Поэтому требуются неординарные технические решения для повышения эксплуатационно-технологических показателей пар трения с резиновыми и резинометаллическими деталями.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Метод (технология) поверхностного упрочнения резины - диффузионная поверхностная модификация заключается в следующем. Готовое резинотехническое изделие (РТИ), вне зависимости от его габаритов, погружается в ванну со специальным модифицирующим раствором. Мелкие и средней величины РТИ погружаются набором, одновременно в ванне могут находиться различные изделия. Состав модифицирующего раствора зависит от марки резины. Для наиболее распространенной (применяемой в гидропневмоустройствах) маслобензостойкой резины на основе бутадиен-нитрильных каучуков в составе модифицирующего раствора могут использоваться каптакс, тиомочевина и другие ингредиенты. Диффузионная модификация заключается в создании на поверхности РТИ слоя заданной глубины (1,5 - 2,0 мм) с повышенными твердостью и прочностью и с изменяемыми по глубине физико-механическими свойствами. Для этого реализуется свойство резины набухать в органических растворителях, содержащих вулканизирующие вещества. Растворитель после сушки при температуре 50-60 °С удаляется, а реакция сшивания (термофиксации) обеспечивается прогревом обработанного РТИ до температуры вулканизации (130-150 °С), т.е. происходит дополнительная вулканизация поверхностного слоя резины. При правильно приготовленном составе модифицирующего раствора глубина модификации и физико-механические свойства поверхностного слоя резины зависят от времени выдержки деталей в растворе. Для РТИ средней величины— до 0,8 кг (вместе с металлической основой) оптимальным временем выдержки в растворе следует считать 11-12 часов. Для мелких деталей время, а, следовательно, и глубину модифицирования целесообразно уменьшить до 6-8 часов.

После модифицирования РТИ приобретает особые свойства: твердость поверхностного слоя существенно увеличивается; модуль упругости на поверхности (после выдержки в растворе до 12 часов) возрастает в 60 и более раз: К=Е/Е_о>60, где Е и Е_о- модули упругости на поверхности и в сердцевине детали; коэффициент трения f резины по металлу (как со смазкой, так и в сухом виде) уменьшается примерно в 2 раза. При наличии упрочнённого слоя на поверхности резины изменяется не только величина, но и характер распределения контактных напряжений, от которых существенно зависит прочность и износостойкость РТИ. Покажем это на примере цельноформованного резинометаллического уплотнения поршня бурового насоса одностороннего действия. При К=1, т.е. при отсутствии модифицирования, контактные напряжения ?_r резко возрастают на тыльной (неработающей) части уплотнителя, и резина выдавливается в уплотняемый зазор, а передняя часть (губа) уплотнителя - собственно манжета не выполняет своей функции. Это приводит к термодеструкции, выкрашиванию и интенсивному разрушению тыльной части и всего уплотнителя. При К=60 - наличии модифицированного слоя и соответствующем уменьшении коэффициента трения f уплотнитель работает «правильно» - напряжения снижаются и распределяются почти равномерно. Благодаря этому устраняются теплонапряженность, термодекструкция и разрушение резины, уплотняющее воздействие больше переходит на губу, износ носит усталостный характер, при этом долговечность уплотнителя возрастает в 5,0-5,7 раза. За счет снижения коэффициента f уменьшается и энергоемкость системы.

В качестве реакционноспособного вещества используют меркаптобензтиазол в сочетании с тиомочевинной С¹⁴ или дифенилгуанидин в сочетании с гуанидином С¹⁴, причем удельная активность используемого раствора составляет 2,5-10,0 мкКн/мл при концентрации меркаптобензтиазола или дифенилгуанидина 4,761 и 4,736-4,763 мас. %. соответственно.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Технико-экономические показатели и технико-экономическое обоснование диффузионной поверхностной модификации для упрочнения резинотехнических изделий зависит от конкретной области применения, конфигурации и размеров изделий, условий эксплуатации, температуры контакта и рабочей среды для пар трения.

Повышение износостойкости (долговечности), снижение теплонапряженности и контактных давлений, уменьшение энергоемкости систем с модифицированными резинотехническими деталями достигаются за счет:

- повышения модуля упругости Е поверхностного слоя и, как следствие, увеличение наружной твердости и контактной прочности;

- снижения коэффициента трения по металлу не менее, чем в 2 раза и, как следствие, уменьшения силы трения и энергоёмкости системы;

- снижение контактной температуры и, как следствие, исключение термодеструкции резины.

В результате этого появилась новая резина, которую иногда называют «скользкой». Модификация резины способствует образованию не только названных эффектов, но и перераспределению контактных давлений в сторону уплотняющей кромки, что предотвращает выдавливание резины в уплотняемый зазор в тыльной (нерабочей) части уплотнения и снижению истирания контактирующей поверхности.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Высокая долговечность. Это основное достижение диффузионной поверхностной модификации резины и пар трения на её основе, которое достигается простыми средствами.

Снижение силы трения не менее чем в 2 раза. Это результат наличия особых ингредиентов на поверхности резины. Пропорционально этому уменьшается энергоёмкость системы.

Снижение контактных давлений. Это следствие перераспределения напряжений и снижения коэффициента трения. Благодаря этому уменьшается и контактная температура.

Исключение термодеструкции резины. Это результат уменьшения контактной температуры и коэффициента трения. Вследствие этого температура на поверхности трения не превышает температуры вулканизации резины (140-150 °С).

Энергосбережение. Достигается за счет уменьшения силы трения и контактных давлений. Последний фактор приводит к снижению сопротивления при возвратно-поступательном перемещении пары трения.

Снижение материалоёмкости. Достигается за счет уменьшения количества пар трения за заданный период работы и упразднения системы охлаждения.

Новые потребительские свойства продукции

- высокая долговечность;
- снижение энергопотребления в процессе эксплуатации;
- простота и доступность технологии модифицирования;
- экономия за счет непроизводительной замены недолговечных уплотнений;
- перераспределение контактных давлений и исключение выдавливания резины в уплотняемый зазор.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Продукция соответствует современным государственным стандартам.

Стадия и уровень разработки

Резиноёмкие «манжеты» - резинометаллические поршни буровых насосов на рабочее давление 25 МПа (испытания проводили на поршне диаметром 130 мм) прошли диффузионную поверхностную модификацию - выдержку в модифицирующем растворе в течение 8-24 часов. Наибольший эффект достигнут при модификации на протяжении 10-12 часов.
Модифицированные поршни прошли всесторонние испытания:
- на стенде, имитирующем условия эксплуатации;
- в составе бурового насоса при его испытании в заводских условиях;
- в составе бурового насоса при его эксплуатации в реальных условиях - в составе буровой установки (в этом варианте долговечность поршней повышается в 5,6-5,7 раза).
Технология диффузионной поверхностной модификации резинотехнических изделий отработана и рекомендована для использования в серийном производстве на различных деталях из маслобензостойкой резины.

Предлагаемые инвестиции

0,3 млн. руб.
) 0,3 млн. рублей на одну группу деталей Инвестиции будут направлены для создания участка, приобретения недорого стоящего оборудования, а также для приобретения расходных материалов указанных в описании и для освоения серийной технологии модифицирования.

Рынки сбыта

Технология имеет высокую степень отработки и опытно-промышленной апробации. С её помощью и простыми средствами существенно повышается долговечность, работоспособность и надежность различных резинотехнических изделий из маслобензостойкой резины.
Модифицированные резинотехнические изделия незаменимы, прежде всего, в том оборудовании, где долговечность серийных уплотнений, уплотнительных узлов и резинометаллических деталей явно не удовлетворяет современным требованиям. В их числе:
- современные быстроходные трёхпоршневые буровые насосы, в том числе на давление до 53 МПа;
- уплотнители универсальных и вращающихся превенторов;
- подвижные уплотнения нефтепромысловых и цементировочных насосных агрегатов, в том числе работающие при высоком давлении (свыше 105 МПа) в агрессивной и абразивосодержащей среде;
- гидроцилиндры на давление свыше 40 МПа;
- пневмоприводы возвратно-поступательного действия;
-- гидропневмоагрегаты, работающие в северных и арктических условиях.
Это относится к российским и зарубежным (СНГ) потребителям.

Возможность и эффективность импортозамещения

Да. За рубежом аналогов нет.

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

18

Дата поступления материала

27.11.2006