Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 9, №2 (март - апрель 2017) http://naukovedenie.ru publishing@naukovedenie.ru

Размещено на http://www.allbest.ru/

Страница 1 из ⁹ f a 2 b 6 5 1 3 b d a d c e a 3 7 8 e 7 9 b c 4 e f 5 b _{9 c 3 3} http://naukovedenie.ru 19TVN217

Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 9, №2 (март - апрель 2017) http://naukovedenie.ru publishing@naukovedenie.ru

Страница 1 из ⁹ f a 2 b 6 5 1 3 b d a d c e a 3 7 8 e 7 9 b c 4 e f 5 b _{9 c 3 3} http://naukovedenie.ru 19TVN217

Исследование влияния внешних факторов на полимерные материалы оболочек гибких кабелей, применяемых в системах питания транспортного и горного электротехнического оборудования

Леонов Андрей Петрович

Аннотация. В работе проведена оценка стойкости изоляционных материалов, применяемых при производстве гибких кабелей (фторопласт, поливинилхлоридный пластикат, этиленпропиленовая резина) к действию комплекса факторов, характерных для режимов эксплуатации транспортного и горного электрооборудования: механические нагрузки, пониженные температуры, агрессивная среда низкомолекулярных углеводородов. Актуальность работы определяется необходимостью повышения и обеспечения надежности систем электроснабжения транспортного и горного электротехнического оборудования, а также расширения соответствующей номенклатуры кабельных изделий. Отмечено: основным элементом конструкции гибких кабелей, определяющим его надежность и безаварийное функционирование, является оболочка. В качестве критерия стойкости оболочки к эксплуатационным факторам принято изменение предела прочности на разрыв и относительного удлинения, а также стойкость к монтажному изгибу. Показано, что воздействие пониженных температур практически не влияет на изменение физико-механических характеристик исследованных материалов. Изменение предела прочности образцов из фторопласта составило 4,9%, поливинилхлоридного пластиката (ПВХ) около 2,0%, этиленпропиленовой резины 5,8%. Относительное удлинение образцов после выдержки при пониженных температурах изменяется незначительно и не превышает 15%: для этиленпропиленовой резины 9%, ПВХ-пластиката - 14,9%, фторопласта - 1,6%. Установлено, что образцы с изоляцией из фторопласта и этиленпропиленовой резины успешно прошли испытания на монтажный изгиб при температурах включительно до -60єС. Результаты испытаний показали, наиболее устойчивым материалом к воздействию дизельного топлива и трансформаторного масла является фторопласт. Изменение физико-механических параметров не превысило 10%. Стойкость фторопласта к воздействию углеводородных жидкостей объясняется высоким значение энергии связи «углерод-фтор», характером растворения контактируемых материалов с учетом их полярности. Сделаны рекомендации о перспективности применения исследованных материалов в качестве оболочек гибких кабелей, применяемых для питания электротехнических систем транспортного и горного оборудования.

Ключевые слова: гибкий кабель; оболочка; полимерная изоляция; морозостойкость; маслостойкость; монтажный изгиб; предел прочности; относительное удлинение

кабель транспортный горный электрооборудование

Введение

Повышение технического уровня и качества продукции, средств автоматизации, приборов, электрооборудования и схем электроснабжения относятся к числу наиболее острых проблем, связанных с развитием современной техники, долговечностью надежностью. Основные направления развития кабельной промышленности, как в России, так и за рубежом связаны с разработкой новой и расширением существующей номенклатуры кабельных изделий (КИ), а также с усовершенствованием ранее выпускаемой продукции.

Самой распространенной группой на сегодняшний день являются кабели управления, контрольные и силовые. В зависимости от назначения и условий эксплуатации они должны быть устойчивы к воздействию широкого диапазона рабочих температур, минеральным маслам и дизельному топливу, электрическим напряжениям, механическим нагрузкам и т.д. [1]. От качества и надежности конструкции кабелей зависит надежность работы транспортного и горного электротехнического оборудования, средств связи, бытовых электротехнических установок и т.д. Исследование процессов, приводящих к ухудшению эксплуатационных свойств кабелей, позволит повысить надежность их работы, следовательно, и надежность работы оборудования во всех отраслях промышленности.

В связи с тем, что значительно увеличивается география разрабатываемых месторождений полезных ископаемых, в том числе северных районов РФ, существует острая необходимость в расширении номенклатуры КИ обладающих повышенными эксплуатационными свойствами, адаптированными к условиям Арктики и Крайнего Севера. Прежде всего, разработка новых конструкций связана с выбором и применением материалов, обладающих необходимыми технологическими и эксплуатационными свойствами. В связи с этим выбор полимерных материалов, отвечающих данным условиям эксплуатации, должен решаться, прежде всего, с учетом их масло- и морозостойкости. Особенно актуальна эта проблема для гибких кабелей, питающих подвижные элементы транспортных систем и горного электрооборудования, которые в процессе эксплуатации подвергаются многократным перегибам, изгибающим и торсионным нагрузкам, непосредственному контакту с агрессивными средами. В связи с этим изоляция и оболочка подобных изделий должны обладать повышенной механической прочностью, маслостойкостью в сочетании с достаточной эластичностью в широком диапазоне температур. Одно из главных требований к гибким кабелям - стойкость оболочки к растрескиванию. Оценка данного параметра, как правило, заключается в определении температуры, при которой происходит разрушение полимера [2]. Согласно ГОСТ 17491-80 «Кабели, провода и шнуры с резиновой и пластмассовой изоляцией и оболочкой. Методы испытания на холодостойкость», к морозостойким относятся КИ, на поверхности которых после испытаний при визуальном осмотре, не видны трещины.

Маслостойкость определяется в соответствии с ГОСТ IEC 60811-2-1-20011 «Общие методы испытаний материалов изоляции и оболочек электрических и оптических кабелей. Часть 2-1. Специальные методы испытаний эластомерных композиций. Испытания на озоностойкость, тепловую деформацию и маслостойкость». Согласно требованиям данного стандарта, к маслостойким относятся кабели, механические характеристики изоляции и оболочки которого после испытания сохраняются в пределах допустимого значения (предельно допустимые значения устанавливаются в стандартах или технических условиях на конкретный кабель). При разработке новой конструкции КИ, выбор материалов чаще всего основан на результатах испытаний пластмасс на стойкость к агрессивным средам согласно ГОСТ 1202072 (СТ СЭВ 428-89) «Пластмассы. Методы определения стойкости к действию химических сред». Стойкость оценивается по изменению механических характеристик материала. Для термопластов, например, регламентируется следующая шкала стойкости: изменение на 0…10% - «хорошая» устойчивость, свыше 10…15% - «удовлетворительно», свыше 15% - «плохо».

Помимо этого, согласно ГОСТ IEC 60811-2-1-2011 и ГОСТ 12020-72 устойчивость оболочки к набуханию оценивается опосредованно, через изменение механических характеристик, которые наиболее чувствительны к процессам старения. В то же время, известно: в ряде случаев длительное набухание в конечном итоге всегда приводит к ухудшению механических свойств полимера, пластифицирующий эффект набухания может краткосрочно приводить к временному повышению прочности полимерного материала [3].

На сегодняшний день в технической литературе недостаточно информации о стойкости полимеров к воздействию жидких углеводородов и опыте применения гибких кабелей при температурах ниже -40?С.

В настоящее время для производства маслостойких и морозостойких кабелей как в России, так за рубежом широко применяют термопластичные (TPU) и специальные ПВХ - компаунды (PVC), этиленпропиленовую резину (EPDM) и фторполимеры (PTFE) [4]. Представляет практический интерес проведение сравнительного анализа устойчивости данных материалов к воздействию углеводородных жидкостей и пониженных температур, с целью определения возможности их применения в системах электроснабжения транспортного и горного электрооборудования.

Подготовка образцов и проведение испытаний

Количественно морозостойкость полимера определяется температурой, при снижении до которой сохраняется требуемый уровень физико-механических параметров и свойств, например: эластичность, прочность, относительное удлинение, гибкость и т.д. Либо, в качестве критерия оценки принимают расчетный коэффициент отношения показателя физикомеханических свойств при пониженной и комнатной температурах [5]. Полимеры являются вязкоупругими материалами, процесс старения которых считается необратимым. Скорость деструкции напрямую зависит от чувствительности полимера к воздействующим нагрузкам, в том числе и к отрицательным температурам. Для полимерных материалов, как известно [6, 7], наиболее показательным является изменение механических характеристик. В работе оценивалось влияние пониженных температур на физико-механические свойства полимеров по изменению предела прочности на разрыв у_р (МПа), относительного удлинения при разрыве Дl/l (%) [8], а также по результатам испытаний на монтажный изгиб.

Для проведения испытаний были отобраны образцы кабельных изделий без механических повреждений, трещин, загрязнений и дефектов согласно ГОСТ 17491-80. Образцы представляли собой отрезки кабелей и проводов длиной 1,5 м с оболочкой из ПВХпластиката, фторопласта и этиленпропиленовой резины. Каждый образец наматывался на металлический стержень при пониженной температуре; число витков выбиралось исходя из диаметра КИ. Образцы выдерживались в диапазоне температур от -30 до -60?С в камере холода в течение 4 часов. Общий вид образца показан на рисунке 1.

Рисунок 1. Общий вид образца на установке для испытания на монтажный изгиб (разработано автором)

При оценке у_р и Дl/l за основу принята методика, рекомендованная ГОСТ IEC 60811-11-2011 «Общие методы испытаний материалов изоляции и оболочек электрических и оптических кабелей. Измерение толщины и наружных размеров. Методы определения механических свойств». Образцы в виде бухт помещались в камеру холода с последующей выдержкой при заданной температуре не менее 4 часов. После этого вынимались и выдерживались при нормальных климатических условиях не менее 16 часов. Определение у_р и Дl/l проводилось на разрывной машине, общий вид которой показан на рисунке 2; начальные значения физико-механических характеристик представлены в таблице.

Рисунок 2. Разрывная машина марки РМИ - для определения изменения физико-механических характеристик (разработано автором)

Таблица Прочностные характеристики материала изоляции образцов КИ в исходном состоянии (разработано автором)

Результаты изменения у_р и Дl/l представлены на рисунке 3.

Рисунок 3. Изменение относительного удлинения (а) и предела прочности (б) образцов после выдержки при отрицательной температуре: 1 - этиленпропиленовая резина; 2 - фторполимер; 3 - ПВХ-пластикат (разработано автором)

Оценка маслостойкости полимерных материалов проводилась по результатам изменения у_р и Дl/l после выдержки образцов в дизельном топливе и трансформаторном масле. За основу взята методика рекомендованная ГОСТ IEC 60811-2-1-2011.

Образцы выдерживались при комнатной температуре в течение 1000 часов. Общий вид образцов показан на рисунке 4. Через каждые 50 часов партия образцов вынималась, проводилось определение прочности на разрыв у_р и Дl/l.

Результаты испытаний представлены на рисунке 5.

Рисунок 5. Изменение относительного удлинения Дl/l (а) и предела прочности ?_р (б) образцов после старения в дизельном топливе (ДТ) и трансформаторном масле (ТМ): 1 - фторполимер (ДТ); 2 - фторполимер (ТМ); 3 - ПВХ-пластикат(ДТ); 4 - ПВХ-пластикат (ТМ); 5 - этиленпропиленовая резина (ДТ); 6 - этиленпропиленовая резина (ТМ) (разработано автором)

Обсуждение результатов 1. Изменение относительного удлинения Дl/l образцов после выдержки при отрицательной температуре во всех случаях незначительное и не превышает 15%. Это вполне допустимо, так как согласно нормативно-технической документации кабельные изделия с подобными электроизоляционными материалами критическим является превышение величины относительного удлинения более чем на 50%.

2. Изменение предела прочности при разрыве у_р исследованных образцов составило не более 6%. Согласно нормативно-технической документации изменение предела прочности не должно превышать 50%, следовательно, по данному показателю все материалы успешно прошли испытания.

3. После испытаний на монтажный изгиб трещины на поверхности обнаружены только на образцах с оболочкой их ПВХ-пластиката. Неполярные полимеры (фторопласт, этиленпропиленовая резина) обладают высокой кинетической гибкостью полимерной цепи макромолекул и вследствие малого потенциального барьера гибкость цепи сохраняется до значительно низких температур (ниже -70?С) [9, 10].

4. Образцы из фторполимера показали «хорошую» стойкость к действию как дизельного топлива, так и трансформаторного масла. Как видно из рис. 5 изменение прочности при разрыве у_р и относительного удлинения Дl/l не превышает 10%. Стойкость фторопласта к воздействию углеводородных жидкостей объясняется высоким значением энергии связи «углерод-фтор», спецификой строения макромолекул полимера, выражающейся в том, что атомы фтора полностью «экранируют» углеродный скелет макромолекул.

5. Для образцов, выполненных из ПВХ-пластиката и этиленпропиленовой резины характерно резкое ухудшение физико-механических параметров (рис.5), что свидетельствует о низкой стойкости к углеводородным жидкостям. Данные материалы относятся к слабополярным. Химическая природа полимеров влияет на скорость диффузии в них физически агрессивной среды. Слабая стойкость образцов к проникновению углеводородных жидкостей означает, что между молекулами полимера и агрессивной среды (дизельное топливо, трансформаторное масло) имеется большое сродство, мерой которого является изменение свободной энергии. Чем значительнее уменьшение свободной энергии при смешении, тем больше углеводородной жидкости проникает в полимер. Интенсивность растворения полярных жидкостей в полярных материалах значительно превышает интенсивность растворения в неполярных [11].

Заключение

По результатам испытаний можно выделить перспективные материалы для оболочек гибких кабелей систем питания транспорта и горного оборудования:

• этиленпропиленовая резина и фторполимер для применения в гибких кабелях, работающих в условиях пониженных температур;

• фторполимер в качестве материала оболочки гибких кабелей с повышенной стойкостью к жидким углеводородам.

Литература

1. Анисимова О.А. Влияние конструкции кабельных изделий на процесс теплового старения полимерных материалов: Дис. … канд. тех. наук: 05.09.02. - Томск, 2010. - 133 с.

2. Кулезнев В.Н., Шершнев В.А. Химия и физика полимеров // М.: КолосС, 2007, 2ое издание, перераб. и доп., 367 с.

3. Моисеев Ю.В., Заиков Г.Е. Химическая стойкость полимеров в агрессивных средах. - М.: Химия, 1979. - 288 с.

4. Бартнеев Г.М., Френкель С.Я. Физика полимеров / Под ред. Д-ра физ.-мат. Наук Ельяшевича А.М. // Л.: Химия, 1990, 432 с.

5. Bukhina M.F., Kurlyand S.K. Low-temperature Behavior of Elastomers. LiedenBoston: VSP, 2007. - 187 p.

6. Воробьева Г.Я. Химическая стойкость полимерных материалов. - М.: Химия, 1981. - 296 с.

7. Н. Грасси, Дж. Скотт, Деструкция и стабилизация полимеров, Москва, «Мир», 1988, 247 с.

8. Зуев Ю.С., Дегтева Т.Г. Стойкость эластомеров в эксплуатационных условиях. - М.: Химия, 1986. - 263 с.

9. Корнев В.А., Рыбаков Ю.Н. Композиционные полимерные материалы для технических средств нефтепродуктообеспечения // European Research, 2015, №8 (9), с. 28-30.

10. Минскер К.С., Федосеева Г.Т. Деструкция и стабилизация поливинилхлорида. - М: Химия, 1979. - 321 с.

11. Зуев Ю.С. Разрушение полимеров под действием агрессивных сред. - М.: Химия. 1972. - 232 с.

Размещено на Allbest.ru