No kāda materiāla izgatavota akmeņurbuma akumulatora diafragma? NBR, HNBR un poliuretāns skaidroti

Katram hidrauliskajam akmeņurbuma urbjmašīnas akumulatoram ir nepieciešama diafragma diapazons lai atdalītu slāpekļa gāzes uzpildi no hidrauliskā eļļas kontūras, un šī diafragma ir veidota no noteikta elastomēra vai termoplastiskā savienojuma. Materiāla izvēle nav nejauša: tā nosaka, kā diafragma iztur siltumu, eļļu, abrazīvo piesārņojumu un ļoti augsto lieces frekvenci, ko detaļa pieredz normālā darbībā. Šajā rakstā aplūko tiek visbiežāk izmantotie materiāli akmeņurbuma urbjmašīnas akumulatora diafragmām membrānas , to atšķirības un tas, ko šīs atšķirības nozīmē detaļas paredzamajam darbības raksturam ekspluatācijas laikā.

No ir akmeņurbuma akumulatora diafragma izgatavota?

Pašlaik ražošanā akmeņurbuma akumulatora diafragma gandrīz vienmēr ir formēts sintētisks elastomērs, visbiežāk akrilnitrila gumija (NBR) vai hidrogenētā akrilnitrila gumija (HNBR), vai liekts vai formēts poliuretāna (PU) komponents. Dažos detaļu katalogos šo komponentu joprojām apzīmē kā „ādas tase”, termins, kas pārnests no agrākajām diafragmu un tases veida blīvējumu konstrukcijām; neskatoties uz nosaukumu, šodien pārdotās un uzstādītās detaļas nav izgatavotas no ādas. Citus nosaukumus, ko dažādi ražotāji un reģioni lieto, ir „diafragma”, „membrāna” un „gāzu separatora”, un visi tie attiecas uz vienu un to pašu funkcionālo komponentu: elastīgu barjeru, kas novietota starp slāpekļa kameru un eļļas kameru akumulatora korpusā.

Kāpēc diafragmas materiāls ir svarīgs akmeņurbumam?

Akumulatorā, kas paredzēts akmeņu urbīšanai, diafragma atrodas vienā no visslodzītākajām darba vides apstākļu vietām hidrauliskajā sistēmā. Tā pastāvīgi saskaras ar hidraulisko eļļu vienā pusē un ar spiediena pakļauto slāpekli otrā pusē, tai jāiztur eļļas darba temperatūra (kas paaugstinās ievērojami virs apkārtējās temperatūras, kad urbis ir darbībā), un tā izliecas pilnā kompresijas un atbrīvošanas ciklā katru reizi, kad trieciena svira maina kustības virzienu — šis process notiek augstā biežumā visu laiku, kamēr urbis ir darbībā.

Materiāls, kas nav piemērots šiem apstākļiem, to parādīs prognozējamā veidā: pietūkums vai mīkstināšanās, ja tas nav pietiekami izturīgs pret hidraulisko eļļu, sacietēšana un plaisāšana, ja tas nevar izturēt eļļas darba temperatūru, vai izturības plaisas, kas parādās daudz agrāk nekā citiem urbja komponentiem nepieciešama uzmanība, ja materiāls neatbilst atkārtotai liekšanai. Tāpēc membrānas materiāla izvēle tiek uzskatīta par atsevišķu inženierijas lēmumu, nevis par papildu apsvērumu attiecībā uz detaļas formu.

Siltās temperatūras ietekme uz šo attēlu ir labi dokumentēta ķīmiska parādība. Gumijas pētnieki apraksta termo-oksīdētās vecuma pazīmes kā pašpaātrinošu brīvo radikāļu ķēdes reakciju: siltums vispirms atbrīvo ūdeņraža atomu no gumijas molekulārā skeleta, veidojot reaktīvu radikāli; šis radikālis reaģē ar šķīdušo skābekli, veidojot peroksiradikāli, kas pēc tam atņem ūdeņraža atomu no blakus esošās ķēdes un rada hidroperoksīdu kopā ar jaunu radikāli, turpinot šo ciklu. Atkarībā no konkrētā polimera šī ķēdes reakcija galvenokārt veicina vai nu papildu šķērssaistīšanos (kas padara gumiju stingrāku un var izraisīt plaisas), vai ķēdes sadalīšanos (kas padara gumiju mīkstāku un samazina tās izturību). Praktiskais secinājums ir vienāds abos gadījumos: ilgstoša siltuma un skābekļa iedarbība maina diafragmas sastāva mehāniskās īpašības neatkarīgi no jebkura vienreizēja pārslodzes notikuma, tāpēc diafragmas reālā darbības ilgums ir atkarīgs ne tikai no maksimālā spiediena, bet arī no ilgstošās ekspluatācijas temperatūras.

Attēls1: Šķērsvirzienā ‑diasfрагmas strukturālā shēma ‑akumulatora tips

Kas ir NBR un kāpēc tas ir standarta diasfрагmas materiāls?

NBR (nitrilbutadiēna gumija) ir akrilonitrīla un butadiēna kopolimērs un vairākus desmitus gadu ir bijis vispārējā lietojuma elastomērs minerāleļļu hidraulisko blīvējumu izgatavošanai, tostarp akmeņurbumu akumulatoru diasfрагmām. Tā akrilonitrīla saturs nodrošina spēcīgu pretestību minerāleļļu bāzes hidrauliskajām eļļām bez ievērojama pietūkuma un arī salīdzinoši zemu slāpekļa gāzes caurlaidību, kas palīdz akumulatoram ilgāku laiku saglabāt priekšuzlādi starp pārbaudēm.

NBR savienojumi parasti ir paredzēti nepārtrauktai lietošanai aptuveni no –30 °C līdz 100–120 °C diapazonā, tomēr precīzās vērtības atkarīgas no konkrētās ražotāja izmantotās formulējuma versijas. Tā kā NBR kombinē labu eļļas izturību ar vidējiem izmaksām, tas joprojām ir noklusētais specifikācijas standarts daudziem akmeņurbumu un hidrauliskajiem trieciena mehānismiem paredzētajām diasfрагmām.

Mehāniskā izturība NBR materiālam reālos darba spiedienos nav tikai ražotāja apgalvojums; to ir arī tieši tas veids, kādā tiek pārbaudītas galīgo elementu blīvējumu studijas. Piemēram, nesenā pētījumā par NBR blīvējumiem augstspiediena apstākļos tika modelēts kontaktspriegums attiecībā pret barotnes spiedienu un konstatēts, ka tas palielinās līdzvērtīgi spiedienam, vienlaikus paliekot virs tā visā pētītajā diapazonā — pamata nosacījums, ko gumijas blīvējumam jāizpilda, lai saglabātu blīvumu, nevis radītu noplūdes. O-rings diatrāma ir citāda pēc formas un funkcijas nekā O-formas gredzens, tomēr pamatmateriāla uzvedība balstās uz to pašu gumijas zinātni, un tas ir vēl viens iemesls, kāpēc NBR jau ilgu laiku paliek dominējošais materiāls prasīgiem hidrauliskiem komponentiem vispār.

Attēls 2: Fizisks paraugs no formveidota NBR gumijas akumulatora diatrāmas

Kas ir HNBR un kā tas atšķiras no standarta NBR?

HNBR ražo, hidrogenējot NBR, procesā, kurā no polimēra pamatnes tiek noņemtas lielākā daļa reaktīvo oglekļa-oglekļa divkāršo saitu. Šis apstāklis tieši saistīts ar iepriekš aprakstīto vecošanās ķīmiju: šie divkāršie saišu savienojumi ir galvenās reaktīvās vietas, kur sākas karstuma un skābekļa ķēdes reakcija, tāpēc to lielākās daļas noņemšana novērš lielāko daļu vājumu. Praktiskais rezultāts ir materiāls, kas saglabā NBR galvenās stiprības īpašības un noturību pret eļļām, vienlaikus iegūstot būtiski labāku noturību pret karstumu un ilgstošu vecošanos, kā arī augstāku stiepes un plīsumu izturību.

Kamēr standarta NBR nepārtrauktas lietošanas augšējā temperatūras robeža parasti ir 100–120 °C, HNBR savienojumi parasti ir vērtēti aptuveni līdz 150 °C, saglabājot aukstās temperatūras elastību, kas nav daudz zemāka par NBR. Šī kombinācija padara HNBR par bieži izvēlētu uzlabojuma risinājumu akmeņurbumierīcēm, kurām darbības laikā paaugstinās temperatūra, tās darbojas ilgstoši vai darbojas klimatos, kur starp auksto palaišanu un pilnībā uzsildīto hidraulisko sistēmu ir liels temperatūras svārstību diapazons. Samaksas par šo uzlabojumu ir izmaksas: HNBR savienojumi ir dārgāk ražot nekā standarta NBR.

„HNBR“ arī nav viena noteikta recepte. Pētījumi, kuros salīdzināti vairāki komerciāli HNBR pakāpes veidi, ir saistījuši divus formulēšanas mainīgos ar reālām veiktspējas atšķirībām: augstāka Mooney viskozitāte (mērs, kas saistīts ar molekulmasu) parasti paaugstina vulkanizāta krustsaitu blīvumu un mehānisko izturību, kamēr augstāks akrilonitrila saturs uzlabo eļļas izturību, bet vienlaikus paaugstina maisījuma stikla pārejas temperatūru — tas nozīmē, ka diafragma stingstinās ātrāk, kad tā atdziest. Tas pats pētījumu komplekts konstatēja, ka pakāpes, kuras ir hidrogenētas ļoti augstā līmenī (aptuveni 99 %), rādīja vislabāko izturību pret karstuma vecošanos un vislabāko kompresijas deformācijas un vilcējspēka saglabāšanu pēc ilgstošas iedarbības 120 °C temperatūrā. Praktiskais secinājums ir tāds, ka divas diafragmas, kurām abām pareizi ir norādīts „HNBR“, nav garantēts vienādi veiktspējīgas; hidrogenācijas pakāpe un konkrētā formulēšana ir tikpat svarīga kā bāzes polimera nosaukums.

Kas ir poliuretāns (PU) un kad to izmanto vietā gumijai?

Poliuretāns, ko bieži saīsina kā PU vai apzīmē ar elastomēra apzīmējumu AU, ir citāda materiālu klase nekā NBR un HNBR; tas nav parasta vulkanizētā gumija, bet gan parasti liekts vai formots termoplastisks vai elastomērisks polimērs, kura pamatā ir uretāna saites. Tā galvenā priekšrocība ir augsta nodiluma un plīsumu izturība, kas parasti ir ievērojami augstāka nekā standarta gumijas maisījumiem, kā arī liela stiepšanās izturība.

Šī kombinācija padara PU membrānas par bieži izvēlētu risinājumu tur, kur hidrauliskā eļļa ir grūti uzturēt pilnīgi tīru — kas ir realistiska situācija daudzās urbšanas un kalnrūpniecības vietās — jo PU labāk pretojas suspendēto daļiņu izskalošanai nekā NBR. Tomēr temperatūras ziņā kompromiss ir pretējs: PU savienojumi parasti ir ierobežoti zemākā nepārtrauktas lietošanas temperatūrā, ko bieži norāda apmēram 80 °C, salīdzinot ar NBR vai HNBR, un aukstumā tie var kļūt redzami stingrāki. Tāpēc PU parasti izvēlas tās nodilumizturības dēļ vidējās temperatūras un piesārņojumam pakļautās vides apstākļos, nevis kā uzlabotu karstumizturību.

Attēls 3: Izskata salīdzinājums starp poliuretāna un gumijas membrānu paraugiem

Kur FKM un citi speciālie savienojumi iekļaujas?

FKM, fluoroelastomērs, ko reizēm sauc ar preču zīmes nosaukumu Viton, paplašina lietojamā temperatūras diapazona robežas tālāk par NBR un HNBR, ar nepārtrauktas lietošanas temperatūras rādītājiem, kas parasti norādīti līdz pat 200 °C, kā arī ar plašāku ķīmisko izturību, kas aptver dažas šķidrās vielas un piedevas, kurām nitrila gumijas ir neizturīgas. Tomēr tas nav standarta izvēle vairumam akmeņurbumu diafragmu, jo tā zemtemperatūras elastība ir ievērojami sliktāka nekā NBR vai HNBR, un tā cena ir ievērojami augstāka.

Praksē FKM parasti tiek izmantots tikai akmeņu urbīšanas vai hidrauliskās trieciena ierīces lietojumos, kad tam ir īpaši nepieciešams: ļoti augstas ilgstošas eļļas temperatūras, hidrauliskā šķidruma izmantošana ārpus standarta minerāleļļas diapazona vai klienta specifikācija, kas to prasa. Materiāli, piemēram, EPDM vai standarta silikons, kaut arī citur blīvēšanā tie ir plaši izplatīti, šajā lietojumā parasti nav piemēroti, jo tie slikti pretojas minerāleļļai un akmeņu urbīšanas akumulatoru membrānām tiek norādīti ļoti reti vai vispār netiek norādīti.

Pastāvīgā temperatūras klase arī nav viss stāsts augstās temperatūras apstākļos. Pētījumi par FKM blīvēm citā augstas temperatūras blīvēšanas aprīkojumā ir parādījuši, ka paaugstinātā temperatūra laika gaitā izraisa sprieguma atslābumu — materiāla blīvēšanas spēks pakāpeniski samazinās pat tad, ja paša temperatūra paliek ietvaros, kas norādīti materiāla klases specifikācijā, un ilgstoša temperatūras iedarbība šo efektu pastiprina. Tas pats piesardzības princips attiecas arī uz ķīmisko iedarbību: pētījumi par HNBR blīvēšanas materiāliem ir konstatējuši mērāmi ātrāku degradāciju augstas temperatūras skābajos apstākļos salīdzinājumā ar vienkāršu hidraulisko eļļu līdzīgā temperatūrā, pie kam gan ūdeņraža saturu, gan konkrēto piepildītāju sistēmu abus faktorus ietekmē to, cik lielu pretestību materiāls saglabā. Neviens no šiem atklājumiem nemaina pamata materiāla izvēli parastai minerāleļļas akmeņurbuma urbšanas sistēmai, taču abi atgādina, ka viena temperatūras vērtība vien nepietiek, lai pilnībā raksturotu, kā materiāls izturēsies praksē, un ka neierastu šķidrumu vai ilgstošu siltumu vajadzētu noteikti pieminēt piegādātājam, nevis automātiski pieņemt, ka jebkurš eļļai izturīgs elastomērs būs piemērots.

Kā šie materiāli salīdzināmi viens ar otru?

Zemāk esošajā tabulā apkopoti iepriekš minētie vispārīgie raksturlielumi. Patiesā veiktspēja vienmēr ir atkarīga no konkrētās savienojuma formulējuma, ko izmanto konkrēts ražotājs, tāpēc to vajadzētu uzskatīt par norādījumu par tipisku pozicionēšanu, nevis par specifikāciju kādam atsevišķam produktam.

Attēls 4: Fiziska NBR, HNBR un PU aizvietojošo membrānu salīdzināšana

Kā materiāla izvēle ietekmē izturību pret atkārtotu lieci augstas frekvences apstākļos?

Akumulatora membrāna urbšanas instrumentā parasti neizdodas tūlīt pirmajā dienā, jo tā ir saplīsusi vai caururbta; tā izdodas tāpēc, ka tā atkārtoti izliecas pilnā kompresijas ciklā ļoti augstā frekvencē — cikls pēc cikla — tik ilgi, kamēr instruments darbojas. Tādēļ izturība pret lieces izsīkumu — tas ir, materiāla spēja izturēt atkārtotu lieci un sprieguma maiņu, neraisot plaisas — ir vismaz tikpat svarīga kā materiāla statiskās izturības rādītāji.

Elastomēru izturības pētījumi parasti novērtē šo uzvedību vienā no divām iespējām. Pirmkaitra veidošanās pieejā tiek reģistrēts, cik slodzes ciklu sākotnēji defektu brīvs paraugs var izturēt, līdz pirmoreiz parādās plaisa, parasti korelējot ar deformācijas vai enerģijas pamatotu slodzes parametru. Otrā — plaisas izplešanās — pieejā eksperiments sākas ar paraugu, kurā jau ir mazs esošs defekts, un mēra, cik ātri šis defekts paplašinās katrā ciklā. Klasisks šīs pieejas pamats, ko pirmo reizi gumijai pielietoja Rivlins un Tomas un kas joprojām ir standarta atsauce šajā jomā, aplūko plaisas izplešanos kā procesu, ko nosaka plīsuma enerģija — deformācijas enerģija, kas atbrīvojas uz vienu jaunas plaisas virsmas vienību — nevis tikai sprieguma vai deformācijas amplitūda. Šīs teorijas noderīga sekas ir izturības sliekšņa jēdziens: zem noteiktas plīsuma enerģijas esoša plaisa konkrētā elastomēra maisījumā praktiski apstājas augt cikliskas slodzes ietekmē, tāpēc nelieli, labi kontrolēti defekti presētā membrānā ne obligāti izraisa agrīnu atteici.

Savienojuma izvēle ietekmē šo noguruma uzvedību veidos, kas nav vienmēr intuītīvi saprotami. Krustsaites blīvums ir labs piemērs: tā palielināšana parasti uzlabo noguruma izturību līdz noteiktam punktam, taču pārmērīga palielināšana samazina gumijas spēju absorbēt deformāciju un var saīsināt noguruma kalpošanas laiku, nevis to pagarināt; tāpēc labi izstrādāts membrānas savienojums ir līdzsvars, nevis vienkārši „vismaz vairāk krustsaites, cik vien iespējams“. Pētījumi par gumijas savienojumu izstrādi īpaši akumulatora membrānām arī ir parādījuši, ka piepildvielas izkliede un plašāks piedevu komplekts var būtiski mainīt gāzes caurlaidību un lieces plaisu izturību pat vienā un tajā pašā pamatpolimērā — vienā publicētā pētījumā NBR membrānas savienojumā piepildvielas izkliedes uzlabošana mērāmi samazināja slāpekļa caurlaidību un palielināja lieces ciklu skaitu, ko materiāls izturēja pirms plaisāšanas, izmantojot standartizētus lieces plaisu (De Mattia tipa) un gāzes caurlaidības testu metodes. Vides iedarbība visu šo papildina: paaugstināta temperatūra, mitrums un apkārtējais ozons ir dokumentēti kā faktori, kas paātrina plaisu veidošanos un augšanu elastomēros, samazinot stiepšanās spēju un ietekmējot materiāla virsmu, kas ir vēl viens iemesls, kāpēc ilgstoša eļļas temperatūra ir svarīga membrānas kalpošanas laikam neatkarīgi no tās ietekmes uz vecošanās ķīmiju.

Praktiskā ietekme ir tāda, ka diviem diafragmām no „vienādas materiāla sastāvdaļas”, kas norādītas dokumentos, nav garantēts vienāds izturības laiks; konkrētā maisījuma formulējums un tā pārbaudes metode var būt tikpat svarīga kā pamatpolimēra nosaukums. Materiāla izvēle nosaka maksimālo izturības rādītāju; savukārt maisījuma formulējums, liešanas kvalitāte un akumulatora slāpekļa priekšielādes pareiza iestatīšana — jo nepareiza priekšielāde maina to, cik tālu diafragma pārvietojas katrā ciklā — nosaka, vai detaļa patiešām sasniedz šo maksimālo rādītāju.

Kā darbības vide ietekmē to, kurš materiāls rāda labākos rezultātus?

Nav neviena viena materiāla, kas būtu vislabākais izvēles variants visos apstākļos, tāpēc akmeņurbumu diafragmas joprojām parasti pieejamas vairāk nekā vienā maisījumā vienam un tam pašam modelim. Ir vērts atcerēties dažus vispārīgus likumus:

• Aukstos temperatūras apstākļos vai uz iekārtām, kas naktī atrodas ārpus telpām pirms aukstās palaišanas, materiāls ar labu zemās temperatūras elastību, piemēram, standarta NBR vai HNBR, parasti ir drošāka izvēle nekā PU savienojums, kas zemās temperatūrās kļūst stingrāks.
• Karstos klimatos vai uz mašīnām, kurās darba cikls ir augsts un hidrauliskā eļļa sasilst daudz virs apkāpjotās temperatūras, HNBR augstākais nepārtrauktas lietošanas temperatūras reitings nodrošina lielāku drošības rezervi nekā standarta NBR.
• Vietās, kur hidrauliskās eļļas noturēšana vienmērīgi tīrā ir grūti, piemēram, daudzās pazemes vai augsta putekļu koncentrācijas virsmas darbībās, PU nodurība pret nodilumu var pārsvarot tās ierobežotāko temperatūru diapazonu.
• Ja pati hidrauliskā šķidruma ir nenovarīga, piemēram, noteikti ugunsizturīgi vai sintētiski šķidrumi, pirms tiek pieņemts, ka standarta NBR vai HNBR savienojums darbosies paredzētā veidā, jāpārbauda ķīmiskā savietojamība ar šo konkrēto šķidrumu.

Tā kā šie faktori var darboties pretējās virzienos, pareizā materiāla izvēle ir lēmums, kas balstīts uz konkrētās vietas apstākļiem, nevis fiksētais noteikums, kas attiecas uz visām akmeņurbuma urbīm visur.

Kā identificēt esošās membrānas materiālu?

Kad membrānai nepieciešama nomainīšana, ir noderīgi apstiprināt tās materiālu, nevis pieņemt to tikai pēc izskata, jo krāsa un struktūra nav standartizētas starp ražotājiem un nav uzticama metode, lai identificētu savienojumu. Uzticamākais avots ir oriģinālā aprīkojuma ražotāja rezerves daļu katalogs vai servisa dokumentācija attiecīgajam akmeņurbuma urbim, kurā parasti norādīts norādītais materiāls kopā ar daļas numuru.

Ja šī dokumentācija nav pieejama, piegādātājs, kurš pazīst konkrētās akmeņurbuma markas un modeļa īpatnības, bieži vien var noteikt materiāla veidu pēc OEM daļas numura un dažos gadījumos — pēc bojātās membrānas fiziskā parauga. Prasīt rakstisku apstiprinājumu par materiāla kvalitāti, nevis balstīties tikai uz mutisku aprakstu, ir saprātīga piesardzības pasākums pirms nolēmuma par aizvietošanu, īpaši tad, ja jūsu objektā esošie ekspluatācijas apstākļi neatbilst tipiskajiem parametriem.

Attēls 5: Tehniķis pārbauda membrānas materiāla specifikāciju pret daļu dokumentāciju

Šajā rakstā izmantotie izvēlētie tehniskie avoti:

1. Gao Y., Xiao P., Luo Z. u.c. „Termiski-oksīdētās vecuma ietekmes pētījumu progress uz gumijas materiāliem.“ China Rubber Industry, 2026, 73(7): 548–556.
2. Xue Y. „Hidrogenētās nitrila gumijas augstās temperatūras īpašību pētījums un tās pielietojums.“ Maģistra darbs, Yangzhou University, 2023.
3. Jin G. „Pētījums par poliuretāna elastomēru izturību pret nogurumu un mikroskopisko mehānismu.“ Promocijas darbs, Pekinas Ķīmiskās tehnoloģijas universitāte, 2025.
4. Liang J., Yan L., Tang S. u.c. „StronWi pulvera TNK ietekme uz gumijas membrānas maisījuma veiktspēju enerģijas akumulatoros.“ China Rubber Industry, 2024, 71(8): 599–603.
5. Cao Dž., Ma L., Ši Q. u.c. „NBR O-formas blīvējumu blīvēšanas veiktspējas pētījums istabas temperatūrā augstspiediena apstākļos.“ Ķīnas gumijas rūpniecība, 2026, 73(7): 483–490.
6. Huang S., Sui Dž., Hao J., Li Q., Jans C. „FKM fluorogumijas augsttemperatūras mehāniskā uzvedība un tās ietekme uz zemes zemāku blīvējumu blīvēšanas veiktspēju.“ Eksperimentālā tehnoloģija un pārvaldība, 2026, 43(4): 130–136.
7. Čan Dž., Džin S., Džia D. u.c. „Hidrogenēta nitrilbutadiēna gumijas blīvējumu korozijas uzvedība un veiktspējas optimizācija augsttemperatūras skābā vidē.“ Smērvielu inženierija, tiešsaistē publicēts pirms drukāšanas, 2026.