Резиновые мембраны представляют собой закрепленную по контуру и жесткому центру гибкую резиновую или резинотканевую перегородку, которая разделяет полости с различным давлением и преобразует изменение давления в перемещение или усилие, или усилие и перемещение в давление.

Классификация мембран и их назначение

Мембраны различают по функциональному назначению, конструкции и материалам.

Классификация мембран

По функциональности можно выделить две основные группы мембран, которые различаются и по конструкции:

• чувствительные элементы приборов (гофрированные мембраны);
• силовые элементы регуляторов для передачи усилия под действием давления (плоские мембраны).

По назначению согласно ГОСТ 21905-76 резиновые мембраны можно разделить:

• Силовая резиновая мембрана. Резиновая мембрана прямого действия, обеспечивающая образование сосредоточенной силы.
• Компенсационная резиновая мембрана. Резиновая мембрана прямого действия, обеспечивающая уравновешивание объемов жидкости или газа.
• Насосная резиновая мембрана. Резиновая мембрана обратного действия, обеспечивающая перемещение объема жидкости или газа
• Демпферная резиновая мембрана. Резиновая мембрана обратного действия, обеспечивающая уравновешивание сосредоточенной силы.

По конструкции резиновые мембраны можно разделить:

• Плоская резиновая.
• Гофрированная резиновая мембрана.
• Коническая резиновая мембрана.
• Тарельчатая резиновая мембрана.
• Цилиндрическая резиновая мембрана.
• Оболочковая резиновая мембрана.
• Сферическая резиновая мембрана.
• Коробчатая резиновая мембрана.

Форму мембраны выбирают, исходя из ее функционального назначения и требуемого перемещения. Плоские мембраны используют в основном при небольших давлениях. Мембраны с жестким центром дополняют пружиной большой жесткости. Большие перемещения могут быть достигнуты только при использовании гофрированных или скатываемых мембран, в которых при повышении давления происходит изменение формы (изгиб). Гофрированные мембраны обладают малой жесткостью и стабильной эффективной площадью, поэтому их используют в качестве чувствительных элементов приборов.

Скатываемые мембраны очень эффективны при уплотнении поршней с большим двусторонним перемещением, имеют низкие гистерезисные потери, малые сдвиговые усилия и высокую чувствительность к изменению перепада давления.

Их применяют также в цилиндрах, заполненных жидкостью с большим содержанием абразивных частиц. Тарельчатые мембраны применяют в общем машиностроении при большой жесткости системы привода.

Изготовление мембран

Мембранное полотно изготавливают из прорезиненной ткани на клеепромазочной машине нанесением нескольких слоев клея на ткань.

Вулканизацию мембран проводят в пресс-формах. Для обеспечения жесткого допуска по чувствительной части мембраны необходимо создать сбалансированную систему допусков в формообразующей полости пресс-формы по гофру и посадочному размеру. Эти допуски находятся в пределах ±0,03 мм.

Тонкие резинотканевые мембраны имеют толщину 0,17-0,5 мм и допуск ±0,05 мм, поджатие в узле 25=10%, допуск на сопрягаемые детали =0,1 мм и общий допуск =0,15 мм. Даже при толщине мембраны 0,5 мм соотношение толщины и допусков может привести либо к полному отсутствию поджатия, либо к передавливанию тканевой основы и разрыву мембраны.

Пресс-форма для изготовления тарельчатой мембраны

Одним из способов преодоления этого является наложение второго слоя (воротника) по заделке перед вулканизацией. Полностью решает проблему изготовление мембраны с уплотнительным буртиком диаметром 2-4 мм. Однако закладка верхнего буртика на резинотканевый материал в пресс-форме может привести к его выдавливанию и недопрессовке. Если зафиксировать буртик в нижней плите резинотканевой заготовкой и прижимной втулкой, а затем, перевернув ее, использовать нижнюю плиту как верхнюю, можно получить качественную заделку.

Применяемый в промышленности способ закрепления мембраны по заделке в виде резинового буртика полукруглого сечения с обеих сторон резинотканевого материала не обеспечивает достаточной прочности на срез буртика, который предотвращает вытягивание мембраны из фланцев при высоких давлениях и температурах. Недостатки такой конструкции особенно четко проявляются при использовании резин на основе силоксановых и фторсилоксановых каучуков, имеющих низкую прочность. То есть в случае, когда необходимо сочетание высоких температур и давлений.

Во избежание этого, буртик выполняют в виде круглого шнура. Который обернут одним из слоев резинотканевого материала, выполненного с вырезами по периферии. С противоположной стороны накладывают внахлест еще один слой резинотканевого материала с такими же выступами. Радиус сечения резинового шнура, глубина вырезов, угол вырезов и их количество связаны между собой.

Применение уплотнительных буртиков в резинотканевых мембранах ограничено усадкой, которая влияет в основном на размеры буртика, что приводит к образованию складок на чувствительной части мембраны и ее провисанию.

Характеристики работоспособности мембран. Материалы

Независимо от схемы нагружения и типа ткани разрыв резинотканевых мембран как в статических, так и в динамических условиях происходит по касательной к жесткому центру, или в центре мембраны, не имеющей жесткого центра. Поэтому критерием разрушения и в статике, и в динамике являются меридиональные напряжения.

При растяжении используемых тканей по основе прочность и деформация сравнимы с этими показателями при растяжении по утку; анизотропия свойств ткани проявляется при деформировании под углом 45°.

Основными характеристиками мембран являются:

• соотношение нагрузка-прогиб;
• эластичность при низких температурах;
• прочность;
• силовая характеристика (т.е. зависимость эффективной площади от прогиба);
• циклическая долговечность.

Прочность резинотканевой мембраны следует оценивать в реальных условиях нагружения. В этих же условиях должны быть экспериментально определены физико-механические характеристики материала. При расчете мембран на прочность используют принцип возможных перемещений, принимая, что материал мембран изотропен и окружная деформация мала по сравнению с меридиональной. В результате расчета получают значения прочности (разрывного давления) и соотношения: нагрузка – прогиб (деформационную характеристику).

Циклическую долговечность резинотканевых мембран прогнозируют исходя из коэффициента запаса прочности, по эпюрам меридиональной нагрузки, рассчитанной на основе теории мягких, изотропных осесимметричных оболочек, на основе критерия Бейли. Однако точность такого прогноза невелика и расхождения с экспериментальными результатами по долговечности могут составлять целый порядок.

Резиновые мембраны и их работоспособность при изменении температуры

Разгерметизация при низких или высоких температурах, как и разрушение, может привести к отказам при эксплуатации в результате падения контактного давления по заделке в широком интервале температур. А также превышения допустимых пределов изменения характеристик. Например, жесткости, при понижении температуры. Разгерметизация мембран при низких температурах связана с переходом резины в стеклообразное состояние или с процессом кристаллизации.

Принятый в промышленности способ оценки морозостойкости резинотканевых мембран по температуре хрупкости резин необоснованно сокращает температурный интервал их использования на 10 – 20°С. Так как этот показатель не отражает ограничений в работоспособности мембран в условиях эксплуатации.

Минимально допустимую температуру эксплуатации мембран можно установить по коэффициенту эластичности K. Данный коэффициент является отношением прогиба мембраны при соответствующей низкой температуре к ее прогибу при 293К в условиях постоянства нагрузки и времени ее действия. Температурная зависимость прогиба мембран при изменении нагрузки удовлетворительно описывается уравнением гиперболы.

Чувствительная часть мембраны может сохранять работоспособность до температуры, которую условно называют «температурой трети деформации».

Для устранения возможной разгерметизации используют комбинированные уплотнения с металлическими пружинными элементами, на упругие свойства которых температура практически не влияет, а герметизирующие функции выполняет резина. Разработаны пять конструкций уплотнения мембран, каждая из которых является оптимальной для мембран определенного размера. Саморегулирование контактного давления при этом обеспечивается упругой деформацией пружинных элементов при монтаже их в узле.

Для мембран диаметром D < 50 мм – разрезные пружинные кольца; при D > 50 мм – конусная втулка с пружинными шайбами; при D < 100 мм – четверть тора; при D > 100 мм – L-образный элемент; при D<150 мм – две шайбы.

Такие уплотнения надежно герметизируют мембраны и за пределами области высокоэластических деформаций резины. А заделка не является ограничителем работоспособности мембран в рабочем интервале температур.

Наше производство

Компания Гидросервис занимается изготовлением резинотехнических изделий (РТИ), прессов и пресс-форм к ним. Благодаря этому, мы способны произвести практически любой вид резинотехнических изделий любого размера в короткие сроки.