Поддерживающие демпфирующие жидкости для поплавковых приборов на основе синтетических перфторполиэфиров с улучшенными эксплуатационными характеристиками

Поддерживающие демпфирующие жидкости для поплавковых приборов на основе синтетических перфторполиэфиров с улучшенными эксплуатационными характеристиками

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к созданию новых поддерживающих демпфирующих приборных жидкостей, используемых в поплавковых приборах, являющихся частью систем управления и ориентации авиакосмической техники.

Эти приборные жидкости должны обеспечивать гидростатическую разгрузку опор поплавкового гироузла (создание нулевой плавучести), защиту приборов от ударов и вибрации, а также эффективное демпфирование гироузла при рабочей температуре приборов.

Для обеспечения этих свойств поддерживающие жидкости должны иметь стабильные в процессе эксплуатации характеристики плотности и вязкости, определяемые типом прибора и его рабочей температурой эксплуатации.

Из SU 1080089, 15.03.1984, известна конструкция поплавковых маятниковых компенсационных акселерометров, содержащая герметичный корпус, заполненный поддерживающей демпфирующей рабочей жидкостью, в которой взвешена поплавковая подвижная система, при этом ферромагнетик используют с использованием жидкости-носителя, в качестве которой используют бромбензол, хлорорганическую жидкость, а основной рабочей жидкостью является фторорганическая жидкость с плотностью при 60°С 2 г/см³. Однако используемая ферромагнитная жидкость достаточно токсична и не обеспечивает в процессе эксплуатации стабильных характеристик вязкости и плотности.

Разрабатываемые поддерживающие приборные жидкости должны иметь

- высокую стабильность физико-химических свойств и химическую инертность по отношению к конструкционным материалам приборов при длительных сроках эксплуатации жидкости в приборах при рабочих температурах;

- малую зависимость вязкости от температуры;

- низкую упругость пара, обеспечивающую неизменность состава жидкости в процессе ее обезгаживания при заполнении приборов;

- низкую температуру стеклования, обеспечивающую сохранность чувствительных элементов приборов при транспортировке и хранении изделий в условиях эксплуатации;

- высокие диэлектрические свойства;

- другие необходимые эксплуатационные свойства, обеспечивающие их работоспособность.

Для гиростатической разгрузки опор поплавкового гироузла (создания нулевой плавучести), защиты прибора от ударов и вибрации, создания демпфирующего момента применяют фторуглеродную жидкость (Никитин Е.А., Балашов А.А. «Проектирование дифференцирующих и интегрирующих гироскопов и акселерометров». М., Машиностроение, 1969, с.105).

Известно также применение перфторуглеродных жидкостей с условным названием Б-1, М-1 в специальных приборах, в том числе и как поддерживающие для гироскопов (Б.И.Максимов и др. Справочник «Промышленные фторорганические продукты». Л., Химия, 1990, 1. 420).

Вышеуказанные жидкости имеют следующие показатели: плотность при 20°С в пределах 1,91-1,98 г/см³ и вязкость при 20°С от 5 до 260 мПа·с в зависимости от их молекулярной массы и температуры кипения.

Эти показатели не отвечают современным требованиям гироскопических приборов, так как в настоящее время для изготовления приборов применяются композитные материалы на основе алюминия. Указанное обстоятельство потребовало создания новой поддерживающей жидкости для гироскопов, удовлетворяющей следующим требованиям: плотность при повышенной температуре, например при 60°С, в пределах от 1,91 до 1,93 г/см³ и вязкость при 60°С в интервале 200-250 мПа·с. Известна, в частности, приборная жидкость М-2-П (перфторуглеродная жидкость М-2-П, ТУ 6-01-935-74). Общая формула перфторуглерода, являющегося основой ―(CF₂)_n―, где n=15-18, со средней молекулярной массой 820, интервал кипения составляет 115-140°С при остаточном давлении 3 мм рт.ст, плотность при 20°С - не менее 2,0 г/см³, при 60°С 1,90-1,94, вязкость при 20°С в пределах 200-260 мПа·с, при 60°С 17-20 мПа·с.

Однако и эта жидкость не обеспечивает эффективного демпфирования гироскопа при повышенной рабочей температуре вследствие недостаточной вязкости жидкости М-2-П. Значение вязкости жидкости М-2-П при 60°С находится в пределах 17-20 мПа·с.

Из RU 98119916, 20.08.2000, известна композиция поддерживающей жидкости для поплавковых гироскопов, содержащая перфторполиэфирную жидкость формулы CF₃-(CF₂O)_m―(С₃F₆О)-CF₃, со средней молекулярной массой 3000, а также сополимер перфторпропилвинилового эфира с тетрафторэтиленом, а компоненты композиции взяты в следующем количестве, мас.%:

- перфторполиэфирная жидкость - 85-92;

- сополимер перфторпропилвинилового эфира с тетрафторэтиленом - остальное.

Из RU 2157388, 10.10.2000, известна также композиция поддерживающей жидкости для поплавковых гироскопов на основе перфторуглерода, и в качестве перфторуглерода она содержит перфторуглерод формулы ―(CF₂)_n―, где n=15-18, со средней молекулярной массой 820 и сополимер перфторпропилвинилового эфира с тетрафторэтиленом общей формулы

где x=24-28 мол.%, y=72-76 мол.%, при следующем соотношении компонентов композиции, мас.%:

- перфторуглерод - 72-75;

- сополимер перфторпропилвинилового эфира с тетрафторэтиленом - остальное.

Технический результат - обеспечение нулевой плавучести и высоких демпфирующих свойств поплавкового узла гироскопа.

Названные приборные жидкости, основой которых являются перфторуглероды, имеют не совсем удовлетворительные на сегодняшний день вязкостно-температурные характеристики и имеют относительно высокую упругость паров (10 мм рт.ст. при 20°С).

Химическая неоднородность компонентов этих приборных жидкостей исключает возможность удовлетворить в полном объеме современный комплекс свойств, предъявляемых к приборным жидкостям. Так использование эластомеров в композиции поддерживающей жидкости ухудшает ее эксплуатационные свойства вследствие недостаточной радиационной и термической стабильности эластомеров.

Технической задачей заявленного изобретения является разработка новых вязких приборных жидкостей с пониженной упругостью паров, с улучшенными вязкостными и низкотемпературными свойствами, а также высокой химической, термической и радиационной стойкостью, что, таким образом, позволяет избежать недостатков, свойственных фторуглеродным жидкостям и композициям на их основе.

Поставленная техническая задача достигается заявленной в качестве изобретения поддерживающей демпфирующей жидкостью для поплавковых приборов, представляющей собой (содержащей) олигомерные фрации перфторполиэфиров, выкипающие при температуре выше 130°С, выделенные разгонкой под вакуумом из смеси синтетических перфторполиэфиров, выкипающих при температуре выше 70°С или смесь в различной комбинации фракций олигомеров синтетических перфторполиэфиров, выбранных из группы, включающей фракции олигомеров перфторполиэфиров, выкипающие при температуре от 130°С и выше с кинематической вязкостью при 20°С 56-150 мм²/с, фракции олигомеров перфторполиэфиров, выкипающие при температуре 240°С и выше с кинематической вязкостью 500-620 мм²/с при 20°С, фракции олигомеров перфторполиэфиров, выкипающие при температуре 320°С и выше с кинематической вязкостью 700-730 мм²/с при 20°С.

Поддерживающая демпфирующая жидкость может быть использована для различных типов поплавковых приборов и состоит по существу из различных олигомерных фракций синтетических перфторполиэфиров, однородных по химическому составу, имеющих общую формулу CF₃-(С₃F₆О)_n-CF₃, где n=4-20, различающихся молекулярными массами, вязкостью и плотностью.

Синтетические перфторполиэфиры обладают комплексом свойств, значительно улучшающих эксплуатационные свойства поддерживающих демпфирующих жидкостей по сравнению с приборными жидкостями на основе фторированных углеводородов переработки нефти.

Схематически реакция фотосинтеза перфторполиэфира из гексафторпропилена и кислорода может быть изображена следующим образом:

В результате полученная смесь перфторполиэфиров является синтетическим инертным продуктом, обладающим высокой химической и термической стойкостью. Полученные таким способом перфторполиэфиры имеет довольно широкий спектр молекулярно-весового распределения. Средняя молекулярная масса его составляет 2500-3000, температура начала кипения 70°С и выше при остаточном давлении 133,3 Па (1 мм рт.ст.).

Для получения поддерживающих демпфирующих жидкостей полученную смесь перфторполиэфиров подвергают вакуумной разгонке при остаточном давлении 133,3 Па (1 мм рт.ст.) с выделением нужных для смешения фракций:

1) фракция, выкипающая в интервале температур 130-240°С при остаточном давлении 1 мм рт.ст., с начальной температурой кипения 130°С и конечной температурой кипения 240°С при остаточном давлении 1 мм рт.ст.;

2) фракция, выкипающая при температуре 130°С и выше при остаточном давлении 1 мм рт.ст., с начальной температурой кипения 130°С при остаточном давлении 1 мм рт.ст.;

3) фракция, выкипающая при температуре 240°С и выше при остаточном давлении 1 мм рт.ст., с начальной температурой кипения 240°С при остаточном давлении 1 мм рт.ст.;

4) фракция, выкипающая при температуре 320°С и выше при остаточном давлении 1 мм рт.ст., с начальной температурой кипения 320°С при остаточном давлении 1 мм рт.ст.

Выделенные таким способом фракции перфторполиэфиров смешивают друг с другом в определенном соотношении с целью получения приборных жидкостей, обеспечивающих работу поплавковых приборов.

Нижеследующие примеры иллюстрируют заявленное изобретение, но не ограничивают его, при этом примеры 1-3 иллюстрируют приборную поддерживающую жидкость по изобретению для приборов, работающих при температуре 35°С, а примеры 4-6 иллюстрируют поддерживающую демпфирующую жидкость по изобретению для поплавковых приборов, работающих при температуре 50°С.

I. Приборная поддерживающая жидкость для приборов, работающих при температуре 35°С.

Пример 1.

В аппарате, снабженном мешалкой, смешиваются фракции олигомеров синтетических перфторполиэфиров, выкипающие при остаточном давлении 1 мл рт.ст. в пределах:

1) фракция 130-240°С, имеющая кинематическую вязкость при 20°С 56 мм²/c (сСт), среднюю молекулярную массу 2000, в количестве 73% (массовых),

2) фракция выше 320°С, имеющая кинематическую вязкость при 20°С 720 мм²/c (сСт), среднюю молекулярную массу 7000, в количестве 27% (массовых).

В результате получают приборную жидкость, имеющую следующие параметры:

Пример 2.

В тех же условиях, что в примере 1, смешиваются фракции синтетических перфторполиэфиров, выкипающие при остаточном давлении 1 мм рт.ст. в пределах: 1) фракция 130-240°С, имеющая свойства, как в примере 1, в количестве 68% (массовых), 2) фракция выше 240°С, имеющая кинематическую вязкость при 20°С 503 мм²/с (сСт), среднюю молекулярную массу 3800, в количестве 32% (массовых).

В результате получают приборную жидкость, имеющую следующие параметры:

Пример 3.

Из смеси синтетических перфторполиэфиров, выкипающих выше 70°С при остаточном давлении 1 мм рт.ст., разгонкой под вакуумом выделяют фракцию, выкипающую выше 130°С при остаточном давлении 1 мм рт.ст.

В результате получают приборную жидкость, имеющую следующие параметры:

II. Получение поддерживающей демпфирующей жидкости для поплавковых приборов, работающих при температуре 50°С.

Пример 4.

В тех же условиях, что и в примере 1, смешивают олигомерные фракции синтетических перфторполиэфиров, выкипающие при остаточном давлении 1 мм рт.ст. в пределах: 1) фракция выше 240°С, имеющая кинематическую вязкость при 20°С 620 мм²/c (сСт), среднюю молекулярную массу 4500, в количестве 80% (массовых), 2) фракция выше 130°С, имеющая кинематическую вязкость при 20°С 150 мм²/с (сСт), среднюю молекулярную массу 4000, в количестве 20% (массовых).

В результате получают приборную жидкость, имеющую следующие параметры:

Динамическая вязкость при 50°С	155 мПа·с (сП),
Плотность при 50°С	1,8560 г/см3,
Температура стеклования	минус 81°С.

Пример 5.

В тех же условиях, что и в примере 1, смешивают олигомерные фракции синтетических перфторполиэфиров, выкипающие при остаточном давлении 1 мм рт.ст. в пределах: 1) фракция выше 240°С, имеющая свойства, как в примере 2, в количестве 82% (массовых), 2) фракция выше 320°С, имеющая свойства, как в примере 1, в количестве 18% (массовых).

В результате получают приборную жидкость, имеющую следующие параметры:

Динамическая вязкость при 50°С	171 мПа·с (сП),
Плотность при 50°С	1,8580 г/см3,
Температура стеклования	минус 80°С.

Пример 6.

В тех же условиях, что и в примере 1, смешивают олигомерные фракции синтетических перфторполиэфиров, выкипающие при остаточном давлении 1 мм рт.ст. в пределах: 1) фракция выше 240°С, имеющая свойства, как в примере 2, в количестве 56% (массовых), 2) фракция выше 240°С, имеющая кинематическую вязкость при 20°С 578 мм²/c (сСт), среднюю молекулярную массу 3830, в количестве 44% (массовых).

В результате получают приборную жидкость, имеющую следующие свойства:

Динамическая вязкость при 50°С	168 мПа·с (сП),
Плотность при 50°С	1,8563 г/см3,
Температура стеклования	минус 81°С.

Таким образом, поддерживающие демпфирующие жидкости по изобретению, полученные путем смешения различных олигомерных фракций синтетических перфторполиэфиров, значительно превосходят приборные жидкости на основе известных перфторуглеродных жидкостей по основным эксплуатационным свойствам.

Они обладают значительно лучшими вязкостно-температурными характеристиками, низкотемпературными свойствами (температура стеклования ниже минус 80°С).

Упругость паров приборных жидкостей на основе синтетических перфторполиэфиров при 20°С ниже 10^-4 мм рт.ст., термостабильность не менее 250°С, неизменность свойств при радиационном воздействии до 10⁷ рад, работоспособность в условиях эксплуатации не менее 20 лет.

Поддерживающая демпфирующая жидкость для поплавковых приборов, представляющая собой олигомерные фракции перфторполиэфиров, выкипающие при температуре выше 130°С, выделенные разгонкой под вакуумом из смеси синтетических перфторполиэфиров, выкипающих при температуре выше 70°С, или смесь в различной комбинации фракций олигомеров синтетических перфторполиэфиров, выбранных из группы, включающей фракции олигомеров перфторполиэфиров, выкипающие при температуре от 130°С и выше с кинематической вязкостью при 20°С 56-150 мм²/с, фракции олигомеров перфторполиэфиров, выкипающие при температуре 240°С и выше с кинематической вязкостью 500-620 мм²/с при 20°С, фракций олигомеров перфторполиэфиров, выкипающие при температуре 320°С и выше, с кинематической вязкостью 700-730 мм²/с.