ชิ้นส่วนยางที่ปรับแต่งสำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรง: วัสดุและการพิจารณาในการออกแบบ |

บทคัดย่อ: ประสิทธิภาพของวัสดุยางถูกท้าทายอย่างรุนแรงโดยสภาพแวดล้อมที่รุนแรง เช่น อุณหภูมิสูง, อุณหภูมิต่ำ, ความดันสูง, การกัดกร่อนและรังสี การเลือกวัสดุและการออกแบบโครงสร้างมีความสำคัญต่อการผลิตชิ้นส่วนยางที่ปรับแต่งสำหรับการใช้งานในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง บทความนี้นำเสนอการวิเคราะห์อย่างเป็นระบบเกี่ยวกับวิธีที่คุณสมบัติได้รับผลกระทบจากสภาพแวดล้อมที่รุนแรงและการเลือกวัสดุยางที่ใช้ทั่วไปในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง ให้การพิจารณาที่เกี่ยวข้องสำหรับการออกแบบเพื่อทำชิ้นส่วนยางที่ปรับแต่ง หวังว่าจะให้แนวทางทางทฤษฎีและการอ้างอิงที่เป็นประโยชน์สำหรับการใช้งานชิ้นส่วนยางในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง

คำสำคัญ: สภาพแวดล้อมที่รุนแรง, ผลิตภัณฑ์ยางที่ปรับแต่ง, คุณสมบัติของวัสดุ, การออกแบบโครงสร้าง, ความน่าเชื่อถือ

บทนำ

การปิดผนึกที่ยอดเยี่ยม การดูดซับแรงกระแทก ความต้านทานการสึกหรอและความต้านทานการกัดกร่อน ทำให้ชิ้นส่วนยางที่กำหนดเองถูกนำไปใช้ในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ ปิโตรเคมี การสำรวจทะเลลึก อุตสาหกรรมพลังงานนิวเคลียร์ และสาขาสิ่งแวดล้อมที่รุนแรงอื่นๆ แต่ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมที่รุนแรงมีผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพของวัสดุยาง ทำให้ชิ้นส่วนยางมักมีการเสื่อมประสิทธิภาพและแม้กระทั่งล้มเหลว ดังนั้นการเลือกวัสดุยางที่เหมาะสมและการดำเนินการออกแบบโครงสร้างที่เหมาะสมจึงเป็นวิธีแก้ปัญหาในการทำให้ชิ้นส่วนยางที่กำหนดเองทำงานได้อย่างปลอดภัยและเชื่อถือได้ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง

การรวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับคุณสมบัติของวัสดุยางจากสภาพแวดล้อมที่ปลอดภัยต่อชีวภาพ

ผลกระทบของสภาพแวดล้อมที่รุนแรงต่อประสิทธิภาพของวัสดุยางมีหลายระดับและซับซ้อน โดยหลักๆ รวมถึงด้านต่อไปนี้:

อุณหภูมิสูง: การกัดกร่อนรองจากอุณหภูมิสูงทำให้กระบวนการเสื่อมสภาพของวัสดุยางเร่งขึ้น ซึ่งจะทำให้ความแข็งเพิ่มขึ้น ความต้านทานแรงดึงลดลง การยืดตัวที่จุดแตกหักลดลง และแม้กระทั่งการสลายตัวทางความร้อนทำให้เกิดการเปลี่ยนรูปถาวร ในทางกลับกัน อุณหภูมิสูงสามารถทำให้ประสิทธิภาพการรับแรงอัดและความต้านทานการสึกหรอของวัสดุยางเสื่อมลง

สิ่งนี้หมายถึงสภาพแวดล้อมที่อุณหภูมิต่ำมาก: อุณหภูมิต่ำทำให้วัสดุยางเกิดการเปลี่ยนสถานะเป็นแก้ว และสูญเสียความยืดหยุ่น กลายเป็นเปราะและแข็ง และความต้านทานต่อแรงกระแทกลดลงอย่างมาก อุณหภูมิที่ต่ำเกินไปสามารถทำให้ชิ้นส่วนยางหดตัว และยังส่งผลต่อประสิทธิภาพการซีล และแม้กระทั่งทำให้เกิดความล้มเหลว

ภายใต้การกระทำของแรงดัน วัสดุยางสามารถเกิดการบีบอัดปริมาตร การไหล และการผ่อนคลายความเครียด เป็นต้น ที่ปลายด้านบนของแรงดัน ซีลอาจล้มเหลว — สำหรับซีล นอกจากนี้ สนามแรงดันสูงมักจะมาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ซึ่งจะทำให้การเปลี่ยนแปลงสมรรถนะของวัสดุยางซับซ้อนขึ้น

การบวมและการแตกของวัสดุยางหรือการละลาย การสลายตัว ส่งผลให้สมรรถนะทางกลลดลงและอายุการใช้งานสั้นลง FX: สมรรถนะของวัสดุยางต่างๆ ต่อสื่อกัดกร่อนมีความแตกต่างกันมาก

สภาพแวดล้อมรังสี: รังสีพลังงานสูง (รังสีแกมมา รังสีเอกซ์ ฯลฯ) ถูกปล่อยออกมาเพื่อทำลาย ข้ามพันธะ และออกซิไดซ์สายโมเลกุลของยาง เปลี่ยนแปลงโครงสร้างทางเคมีและสมบัติทางกายภาพของวัสดุยาง และเพิ่มความแข็ง เพิ่มความเปราะ และลดความแข็งแรง

วัสดุยางที่ใช้ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง

นอกจากนี้ยังมีความสำคัญในการใช้วัสดุยางที่มีความทนทานที่สอดคล้องกับสภาพแวดล้อมที่รุนแรงต่างๆ ด้านล่างนี้คือรายการของวัสดุยางมาตรฐานบางส่วนที่ใช้ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง:

ยางฟลูออรีน (FKM): เลือกความต้านทานอุณหภูมิสูง, ความต้านทานน้ำมัน, ความต้านทานการกัดกร่อนทางเคมีของอีลาสโตเมอร์, สามารถใช้ในสภาพแวดล้อมที่มีกรดเบสอุณหภูมิสูงและตัวทำละลายอินทรีย์หลายชนิดได้เป็นเวลานาน มักใช้ในการผลิตซีล, ท่อ/ชิ้นส่วนที่ทนความร้อน เป็นต้น แต่ความต้านทานอุณหภูมิต่ำของยางฟลูออรีนไม่ดีนัก

ยางซิลิโคน (VMQ): ยางซิลิโคนมีความต้านทานอุณหภูมิสูงและต่ำที่ยอดเยี่ยม, การเป็นฉนวนไฟฟ้าและความต้านทานการออกซิเดชัน, สามารถรักษาความยืดหยุ่นที่ดีในช่วงอุณหภูมิ 60 ° C ถึง 200 ° C ได้ ใช้ในการผลิตปลอกสายเคเบิลที่ทนความร้อน, ซีลที่ทนความเย็น เป็นต้น แต่ความแข็งแรงทางกลของยางซิลิโคนไม่สูง และความต้านทานการสึกหรอก็ไม่ดีนัก

ยางไนไตรล์บิวตาไดอีนที่ผ่านการไฮโดรเจน (HNBR): ยางไนไตรล์บิวตาไดอีนที่ผ่านการไฮโดรเจนมีการปรับปรุงความต้านทานความร้อน ความต้านทานน้ำมัน และความต้านทานโอโซนอย่างมาก สามารถใช้ในการผลิตซีลเครื่องยนต์รถยนต์ อุปกรณ์เจาะน้ำมัน เป็นต้น

ยางเอทิลีนโพรพิลีน (EPDM): ยางเอทิลีนโพรพิลีนมีความต้านทานโอโซนที่ดี ความต้านทานต่อสภาพอากาศ ความต้านทานต่อน้ำ และความต้านทานการกัดกร่อนทางเคมี และสามารถทำเป็นผลิตภัณฑ์ยางกลางแจ้งได้ แต่ไม่ทนต่อน้ำมันและตัวทำละลายบางชนิด

ยางเพอร์ฟลูออรีน (FFKM): หนึ่งในวัสดุยางที่ยอดเยี่ยมที่สุด มีความต้านทานอุณหภูมิสูงสุด ความต้านทานการกัดกร่อนทางเคมี และความต้านทานตัวทำละลาย สามารถใช้ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงเป็นเวลานาน ราคาค่อนข้างแพง และเหมาะสำหรับสถานการณ์ที่ต้องการความน่าเชื่อถือ

การตัดเย็บส่วนประกอบยางในแอปพลิเคชันที่ท้าทาย: ด้านการออกแบบที่สำคัญ

นอกจากการเลือกวัสดุยางแล้ว ต้องออกแบบโครงสร้างที่เหมาะสมเพื่อรับประกันว่าส่วนยางสามารถทำงานได้อย่างเชื่อถือได้ในสภาพแวดล้อมดังกล่าว ควรคำนึงถึงการออกแบบบางประการ:

พิกัดเส้นโค้งที่แตกต่าง: รับประกันความถูกต้องของพิกัดการสนับสนุนและพิกัดรัศมีโค้งหลีกเลี่ยงการรวมตัวของความเครียดในพื้นที่ขนาดใหญ่ของส่วนยาง และใช้การเปลี่ยนแปลงมุมโค้งเพื่อลดการรวมตัวของความเครียดในท้องถิ่นและปรับปรุงค่าสัมประสิทธิ์อายุการใช้งานของส่วนยางอาวุธ

ช่วงการเปลี่ยนรูปถูกควบคุม: การออกแบบรูปร่างและขนาดของส่วนยางอย่างมีเหตุผล ควบคุมช่วงการเปลี่ยนรูปในกระบวนการทำงาน หลีกเลี่ยงการยืดหรือการบีบอัดมากเกินไป และขยายอายุการใช้งาน

2 ปรับแต่งโครงสร้างการซีล: ตามการใช้งานการซีลที่แตกต่างกัน ควรเลือกโครงสร้างการซีลที่เหมาะสม เช่น O-ring, Y-ring, แหวนสี่เหลี่ยม เป็นต้น เพื่อให้มั่นใจในความน่าเชื่อถือของประสิทธิภาพการซีล อย่างไรก็ตาม ควรพิจารณาผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่มีต่อขนาดของซีลด้วย

ในกระบวนการออกแบบสื่อยาง จำเป็นต้องพิจารณาความเข้ากันได้ของยางกับสื่อที่สัมผัสอย่างเต็มที่เพื่อหลีกเลี่ยงการบวม การแตกหัก หรือฟอสฟอรัสของวัสดุ และเลือกพื้นที่สัมผัสและโหมดการสัมผัสที่เหมาะสม

ทำการวิเคราะห์องค์ประกอบขั้นสุดท้าย (FEA): ด้วยซอฟต์แวร์การจำลององค์ประกอบขั้นสุดท้าย จำลองการกระจายความเครียดและการยืดตัวของยาง/ชิ้นส่วนในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง วิศวกรเดวิดช่วยปรับแต่งการออกแบบโครงสร้างและปรับปรุงความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์

การตรวจสอบการทดสอบที่เพียงพอ: จะต้องมีการตรวจสอบการทดสอบที่เพียงพอก่อนการใช้งานจริง รวมถึงการทดสอบอุณหภูมิสูง อุณหภูมิต่ำ การกัดกร่อน การเสื่อมสภาพ และการทดสอบอื่น ๆ เพื่อยืนยันว่าส่วนยางสามารถตอบสนองความต้องการในการออกแบบและความเชื่อถือได้

สรุป

ความต้องการการปรับแต่งที่ประสิทธิภาพของส่วนยางสามารถทนทานในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงได้ เป็นกุญแจสำคัญในการรับประกันการทำงานที่ปลอดภัยและเชื่อถือได้ของส่วนยางในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง โดยการเลือกวัสดุยางที่เหมาะสมและดำเนินการออกแบบโครงสร้างที่เหมาะสม ในอนาคตจะมีวัสดุใหม่ ๆ เกิดขึ้นมากมายและวิธีการออกแบบที่ดีขึ้น ส่วนยางที่ปรับแต่งสำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรงจะถูกนำไปใช้ในหลายพื้นที่มากขึ้น ในขณะเดียวกัน จำเป็นต้องศึกษากลไกการเสื่อมสภาพและโหมดการล้มเหลวของวัสดุยางในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงเพิ่มเติม เพื่อให้คำแนะนำทางทฤษฎีสำหรับการออกแบบและการใช้งานของส่วนยาง