Твёрдость полиуретана по Шору: как выбрать под нагрузку

В заявке на полиуретановую деталь твёрдость часто оказывается единственной цифрой о материале, и от неё зависит, как деталь поведёт себя под грузом. Литые марки занимают полосу от мягких амортизаторов до деталей, которые меряют уже шкалой D. Число берут из работы детали в узле, а к нему добавляют шкалу и допуск. Общую шкалу и смысл значений 60 и 70 Shore A задаёт твёрдость резины по Шору, а для полиуретановой детали под нагрузкой выбор строится по её работе в узле.

Шкала Shore A заканчивается раньше, чем полиуретан

Для твёрдых марок шкала A теряет чувствительность. В тексте ГОСТ 24621-91 (ИСО 868-85) на meganorm.ru в примечании рекомендовано: если дюрометр типа A показывает больше 90, испытание проводят дюрометром типа D, а при значении меньше 20 по шкале D возвращаются к шкале A. Сейчас действует редакция ГОСТ 24621-2015 на основе ISO 868:2003, и при приёмке ссылаются на неё.

Простой формулы перевода между шкалами нет: совпадение значений получают измерением одного образца двумя приборами. Для ориентира производитель преполимера СКУ-ПФЛ-100 указывает пару 95 Shore A и 50 Shore D для одного и того же эластомера. Сводная шкала и примерные соответствия есть в справочнике твёрдости по Шору.

Жёсткость растёт быстрее твёрдости

Число Шора отражает глубину вдавливания иглы, а не жёсткость детали. Для оценки модуля упругости по твёрдости Shore A есть эмпирическая формула Гента (1958): E = 0,0981 × (56 + 7,62336 × S) / (0,137505 × (254 − 2,54 × S)), где E в МПа, S в единицах Shore A. Формула расходится с опытом ниже 40 Shore A, а у 100 уходит в бесконечность, поэтому у верхнего края шкалы она даёт только порядок величины.

Расчёт по формуле даёт такие значения: 70 Shore A около 5,5 МПа, 75 около 7,1 МПа, 80 около 9,3 МПа, 85 около 13,2 МПа, 90 около 20,8 МПа, 95 около 43,8 МПа. Отсюда практическое правило: внизу полосы замена 75 на 80 почти не меняет поведение детали, а наверху замена 90 на 95 превращает упругую деталь в жёсткую.

Пример: подушка буфера 100 × 100 мм толщиной 30 мм под нагрузкой 5 кН. Напряжение 5 000 / 10 000 = 0,5 МПа. Без учёта трения по торцам и формы детали сжатие при 80 Shore A составит 0,5 / 9,3 ≈ 5,4 %, то есть около 1,6 мм. При 90 Shore A выйдет 0,5 / 20,8 ≈ 2,4 %, около 0,7 мм. Реальный прогиб меньше из-за трения по торцам, но соотношение двух марок оценка показывает верно. Буфер считают по энергии удара и форму выбирают по правилам для полиуретановых демпферов.

Нагрузка задаёт нижнюю границу твёрдости

Чем больше давление на деталь, тем выше нижняя граница. Манжета гидроцилиндра под давлением стремится выдавиться в зазор между штоком и втулкой, и мягкая кромка там рвётся. Колесо тележки под грузом проседает в пятне контакта, и мягкий обод сопротивляется качению. Втулка шарнира при малой твёрдости разбивается по оси. Для каждой из этих деталей сначала считают давление или нагрузку, а уже под него выбирают твёрдость; для полиуретановых втулок такой расчёт ведут по удельному давлению.

Верхнюю границу задаёт то, что деталь должна поглощать или облегать. Буфер обязан сжаться на заданный ход, скребок прижаться к неровной ленте, ролик подачи захватить лист без следа. Слишком твёрдая деталь в этих узлах передаёт удар на металл, не очищает ленту или проскальзывает.

Какая твёрдость полиуретана нужна для ролика?

Полиуретановый ролик получает твёрдость по двум числам: нагрузке на обод и скорости качения. Обод 95 Shore A по оценке Гента примерно вдвое жёстче обода 90 Shore A, поэтому пятно контакта у него меньше и тепла выделяется меньше. Лёгкие ролики подачи и транспортёров делают в полосе 70–85 Shore A, чтобы они захватывали изделие без следа и проскальзывания.

Нагрев при качении ограничивает мягкие марки

Каждый оборот ролика сжимает и отпускает слой полиуретана. Часть энергии возвращается упругостью, остальное уходит в тепло. Долю возврата показывает эластичность по отскоку: по сводной таблице на aniko-gas.ru у СКУ-7Л она 25–30 %, у СКУ-ПФЛ 40 %. Чем ниже отскок и чем сильнее деформация, тем быстрее растёт температура внутри слоя.

Из расчёта по Генту видно, почему мягкий обод опаснее: при 80 Shore A модуль около 9 МПа, при 90 уже около 21, значит, при равной нагрузке мягкий слой сжимается на каждом обороте больше чем вдвое сильнее. Тепло копится в середине слоя, так как теплопроводность полиуретана низкая, и предел марок общего назначения около +80 °C там достигается раньше, чем на поверхности. На снятом ролике это видно как вздутие или кольцевое отслоение у ступицы при целой беговой дорожке. Поэтому быстрому ролику добавляют твёрдость и убирают лишнюю толщину слоя. Толщина слоя, скорость и нагрузка связаны между собой у полиуретановых роликов.

Абразив и удар двигают выбор в разные стороны

Скользящий абразив, например песок под скребком, лучше переносит твёрдая марка: она меньше срезается. Удар крупного куска лучше переносит более мягкая и эластичная марка, которая принимает энергию деформацией и не раскалывается. В желобе, где идёт и то и другое, твёрдость выбирают по преобладающему виду износа, а в зоне падения кусков иногда ставят отдельные сегменты помягче.

Какую твёрдость полиуретана выбрать для скребка конвейера?

Твёрдость полиуретанового скребка для очистки конвейерной ленты обычно берут в полосе 70–90 Shore A. Ближе к 70 выбирают для резиновой ленты с механическими стыками и налипающим влажным материалом, ближе к 85–90 для сухого абразива и ровной ленты. Слишком твёрдый скребок повреждает обкладку и стыки ленты, слишком мягкий быстро срабатывается и перестаёт снимать налипание.

Полосу твёрдости выбирают по признакам отказа

В таблице собрана классификация Сивиза: для каждой детали полоса твёрдости и признаки, по которым на снятой детали видно, в какую сторону ошиблись. Полосы деталей совпадают с теми, что указаны на странице литья полиуретана; признаки отказа служат для диагностики старой детали. Полосы служат ориентиром для марок общего назначения, твёрдость конкретной детали фиксируется в КП.

Таблица не заменяет расчёт нагрузки, но помогает понять, что делать со следующей партией. Если старая деталь вздулась и отслоилась, следующая должна быть твёрже или тоньше. Если она растрескалась от края, следующая должна быть мягче.

Допуск ±3–5 единиц записывают вместе со шкалой и способом замера

На чертежах полиуретановых деталей твёрдость обычно задают номиналом с допуском ±3 или ±5 единиц. Это ориентир для марок общего назначения: более узкий допуск требует пробных заливок и контрольных образцов от каждой партии. Сам по себе допуск без условий замера мало что значит, потому что результат зависит от толщины образца, времени отсчёта и шкалы.

Какой допуск на твёрдость полиуретана указывать?

Полиуретановой манжете или втулке с узким рабочим окном ставят допуск твёрдости ±3 единицы, скребку, буферу и футеровке хватает ±5. Запись на чертеже выглядит, например, так: «95 ± 3 Shore A, контрольный образец толщиной не менее 6 мм из той же заливки, отсчёт через 15 с». Для марок, которые по шкале A показывают больше 90, номинал удобнее сразу задать по шкале D.

По ГОСТ 24621-91 (текст на meganorm.ru) толщина образца должна быть не менее 6 мм, индентор ставят не ближе 12 мм от края, делают пять измерений на расстоянии не менее 6 мм одно от другого, а показание снимают через 15 секунд или в течение 1 секунды для мгновенного значения. Время отсчёта важно для полиуретана: за 15 секунд игла продолжает входить в материал, и показание становится ниже мгновенного. Поэтому в протоколе записывают, через сколько секунд снято значение. На практике прибором пользуются по правилам измерения твёрдости.

Твёрдость детали меняется с температурой и временем

На холоде полиуретан твердеет, при нагреве мягчеет, поэтому замеры для приёмки делают после выдержки образца при комнатной температуре не менее часа. В эксплуатации твёрдость тоже меняется. Деталь, которая начала гидролизоваться во влажной среде, становится мягче и липкой, и падение твёрдости на снятой детали служит признаком гидролиза, а не ошибки в марке. Деталь, перегретая при качении, может стать хрупкой у ступицы.

Из этого следует простое правило для замены по образцу. Замер изношенной детали показывает, какой она стала, а не какой её отливали. Значение со старой детали записывают в заявке как наблюдение, а номинал для новой партии согласуют отдельно, с учётом того, что стало причиной замены.

Твёрдость считают с первого раза по шести сведениям

Твёрдость подбирают без второго круга вопросов, когда в заявке есть шесть сведений. Каждое из них сдвигает номинал в свою сторону.

Если чертёж задаёт твёрдость и марку, деталь делают по спецификации. Если твёрдость приходится подбирать, изготовитель предлагает номинал и допуск отдельной строкой, и это предложение согласуют до заливки. Твёрдость подбирают из марок полиуретана, а для первой партии новой детали разумно заказать две пробные твёрдости, например 85 и 90 Shore A, и выбрать по результату работы в узле.