Тенденции замены классических материалов на полиуретан в машиностроении
Современное машиностроение непрерывно развивается, и одним из последних трендов в этой области становится замена традиционных металлических и резиновых деталей полиуретановыми. Полиуретаны — группа материалов, обладающих широким, варьируемым диапазоном физических свойств, среди которых как правило выделяются такие качества как: высокая прочность, высокая устойчивость к износу и агрессивным средам, а также отличные амортизационные (упругие) свойства. Эти качества делают полиуретан идеальным материалом для замены традиционных материалов деталей машиностроения.
В данной статье рассматриваются актуальные примеры успешной замены металлических и резиновых деталей на полиуретановые и влияние такой замены на современное машиностроение.
Одним из материалов, успешно заменяемых полиуретаном в машиностроении, является резина. Полиуретан перед резиной имеет следующие преимущества:
– более высокая износостойкость по сравнению с резиной, что делает полиуретан более долговечным материалом;
– полиуретан более устойчив к химическим воздействиям (химическая стабильность), чем резина, что делает его более подходящим для использования в агрессивных средах;
– полиуретан обладает более высокой эластичностью и прочностью, чем резина, что делает его более устойчивым к деформации и разрывам;
– более широкий диапазон варьирования физических и химических свойств, связанный с химической природой сырья и комплексности технологического процесса по его переработке, в отличие от резины, в которой процесс вулканизации и относительная инертность сырья не позволяет вводить широкий спектр модифицирующих веществ и наполнителей.
Вышеприведенные преимущества не говорят о том, что допустима замена материала абсолютно всех деталей, изготавливаемых из резины, по причине как технологических особенностей, так и некоторых условий эксплуатации деталей. Но при этом на данный момент есть огромный простор для развития машиностроительной области путем внедрения нового (относительно резины) материала, так как большинство резинотехнических изделий изготавливаются из устоявшегося в практике материала «по инерции» (сложность перехода крупных предприятий на новые технологии, дополнительные инвестиции в НИОКР и пересмотр технологических процессов). Также одной из причин медленного перехода на полиуретановые изделия является неуверенность как производителей, так и клиентов в замене привычного и используемого десятилетиями материала на новый, о котором некоторые из них мало осведомлены.
Множество деталей машиностроения, изготавливающееся из самого распространенного в этой области промышленности материала – стали, также могут быть заменены на полиуретановые. Перед сталью полиуретан обладает следующим рядом преимуществ:
– имеет значительно более низкую плотность (в 6,5 раз), что позволит значительно снизить массу конструкций и оптимизировать инерционные характеристики деталей;
– полиуретан не подвержен коррозии, в отличие от стали, что делает его более долговечным и подходящим для использования в условиях высокой влажности или агрессивной среды;
– обладает высокой гибкостью и упругостью, что позволяет ему амортизировать удары и вибрации, а также принимать форму сложных поверхностей, что делает его идеальным материалом для изготовления амортизаторов, уплотнений и других деталей;
– полиуретан обладает высокой износостойкостью, что делает его более долговечным и экономичным в сравнении со сталью, может выдерживать интенсивное трение и абразивное воздействие без потери своих свойств.
Несмотря на все вышеперечисленное, полная замена сталей полиуретанами невозможна. Преимущества полиуретанов, можно получить не только при полной замене материала, но и при совместном использовании этих материалов. Одним из вариантов совместного использования стали и полиуретана является футеровка.
Футеровка (нем. Futter «подкладка, подбой») – облицовка (покрытие) химически стойкими, износостойкими, а также теплоизоляционными материалами, которым покрывается внутренняя поверхность металлургических печей, ковшей, топок котлов и прочего оборудования. Футеровка производится для обеспечения защиты поверхностей от возможных механических, термических, физических и химических повреждений. В горно-металлургической промышленности футеровка используется для защиты оборудования, связанного с перегрузкой и перевозкой различных материалов, от ударных, истирающих и налипающих воздействий, а также для усиления огнестойкости материалов, из которых изготавливают металлургические и бытовые печи. В сельском хозяйстве одним из применений футеровки, является использование в элеваторах, бункерах и прочем оборудовании для предотвращения абразивного износа металлических частей, обеспечиваемого твердыми сыпучими материалами, такими как зерновые культуры.
В качестве успешных примеров замены некоторых материалов на полиуретан ниже приведены узлы и детали машиностроительного профиля, применяемые в аграрной технике. Фото узлов сделаны на таких международных выставках 2023-го года как AGRITECHNICA (Ганновер, Германия) и ЮГАГРО (Краснодар, Российская Федерация).
Одной из компаний активно внедряющей полиуретан в собственное производство является Amazone (Германия), что было наглядно продемонстрировано на выставке AGRITECHNICA 2023. Агрегаты, представленные на выставочных стендах выполнены частично с новыми деталями из полиуретана (левые части агрегатов), частично из материалов деталей (сталь штампованная или литая) более старых версий того же узла (правая часть агрегатов), что продемонстрированно на рисунке 1, рисунке 2 и рисунке 3:
Рисунок 1 – Агрегат почвообрабатывающий Amazone Ceus
Рисунок 2 – Борона дисковая Amazone Catros
Рисунок 3 – Замена стального штампованного диска
Одним из материалов, детали из которого постепенно заменяются полиуретаном является чугун (аналогично стальным изделиям). Пример замены чугунной детали на полиуретановую в аналогичных узлах показан на рисунке 4 (сверху рабочая часть детали выполнена из полиуретана, снизу тот же элемент, выполненный из чугуна (более старая версия)):
Рисунок 4 – Пример замены чугунной детали
Мировым лидером в производстве зерноуборочной техники является компания Claas (Германия), которая также следует тренду внедрения полиуретановых изделий в свои машины. В частности, материал спиц жатки комбайна с классической стали заменен на полиуретан. На рисунке 5 слева показана жатка комбайна Claas Lexion со спицами из полиуретана, справа фотография классической конструкции жатки со стальными подпружиненными спицами (Гомсельмаш CS 150 Cross):
Рисунок 5 – Замена быстроизнашиваемых деталей жатки (рабочего органа косилки)
На рисунках представленных выше продемонстрирована успешная замена изделий из сталей и чугуна полиуретановыми выполненная крупными производителями техники, пользующейся спросом по всему миру, что говорит о том, что такая модификация узлов имеет явный экономический эффект, главным образом оказывающий влияние на снижение амортизационных затрат во время эксплуатации машин.