Прокладка с обрезиненной внешней поверхностью (см. рис. 402, а) рассчитана для работы при температурах от —230 до +260°С и давле­ нии 350 кГ!см2\ необрезиненная металлическая прокладка, представлен-

ная на рис. 402,6, пригодна для работы в диапазоне температур от —230 до +1000° С и давлений 1400 кГ/см2. Более простой тип подобных пружинящих колец (прокладок), применяемых преимущественно для герметизации соединения труб встык, показан на рис. 402, в и г .

Металлические конусные кольца

Качество герметизации рассмотренных выше металлических уплот­ нений во многом (см. рис. 401) зависит от обеспечения точного осевого положения деталей уплотнительного узла, при котором было бы обес­ печено требуемое контактное давление между ними. Очевидно, это тре­ бование накладывает ограничения при конструировании производства уплотнения, так как элементы конструкции в собранном состоянии дол­ жны обладать большой жесткостью в осевом направлении.

Эти недостатки практически устранены в металлическом уплотне­ нии, представляющем собой видоизмененную кольцевую пружину {рис. 403, а), которое допускает без нарушения герметичности относи­ тельно большие осевые перемещения уплотнительных колец как при монтаже, так и при изменении зазоров в эксплуатации. Благодаря своим качествам это уплотнение обеспечивает хорошую герметичность в вы­ сокотемпературных насосах, фильтрах и прочих агрегатах при таких смещениях деталей корпуса сальника (уплотнительной камеры), кото­ рые даже при уплотнении с помощью полых металлических колец круг­ лого сечения приводят к течи. Уплотнение показало хорошие результаты при испытаниях в диапазоне температур от —50 до +370°С при пере­ менных давлениях от 0 до 280 кГ/см2 с пиками, доходящими до 420 кГ/см2.

Это уплотнение предназначено для герметизации среды с внутрен­ ним подводом давления р. Оно состоит из внутреннего 1 и внешнего 2 конусных колец, смонтированных в проточке корпуса, в которой они сжимаются в осевом направлении до ширины w с помощью сальниковой буксы. Площадь сечения внутреннего кольца 1 значительно (на 50%) больше внешнего кольца 2. При монтаже уплотнения внутреннее кольцо подвергается радиальному сжатию, а внешнее — расширению, в резуль­ тате чего последнее раздается, обеспечивая плотный контакт с внутрен­ ней поверхностью канавки а. Одновременно с этим обеспечивается гер­ метизация стыка b между торцовыми поверхностями внутреннего коль-

4 7 4

да 1 и соприкасающейся с ним детали и стыка с между смежными коническими поверхностями внутреннего 1 и внешнего 2 колец. Рабочие (уплотнительные) поверхности деталей уплотнения обрабатываются до высоты неровностей в 0,6—0,8 мк.

Для изготовления указанных элементов уплотнения применяются преимущественно стали, имеющие одинаковые коэффициенты теплового расширения. Для температурных условий 370° С и давлений 280 кГ/см2 (с забросами до 420 кГ/см2) применяются, главным образом, легирован­ ные и нержавеющие стали, при этом внешнее и внутреннее кольца обычно изготовляются из сталей с различной твердостью (одно с HRC 60—62 и парное с HRC 38—40). Из сталей такой же твердости изготовляются также корпус сальника. При более высоких температурах применяют жаропрочные сплавы.

Рис. 403. Уплотнение с помощью металлических конус­ ных колец

Выбор и расчет размерных параметров уплотнительного узла произ­ водятся с учетом требования, чтобы увеличение внешнего диаметра D2 внешнего кольца, обусловленное осевым перемещением внутреннего кольца при монтаже, не превышало 0,5% значения D2 (рис. 403,6). В соответствии с этим выбирается требуемое осевое перемещение (осе­ вое сжатие колец), определяемое по выражению А1 = 1— w, где / и w — ширина смонтированных колец в свободном (см. рис. 403,6) и сжатом (см. рис. 403, а) состоянии.

Величина этого перемещения может быть вычислена для случая превышения площади сечения внутреннего кольца над сечением внеш­ него на 50%, а также с учетом деформации как внешнего, так и внутрен­ него колец по выражению

При этом принимаем, что деформация внутреннего кольца состав­ ляет 0,00Шь а внешнего—0,005^2-

Угол а конусности колец выбирается обычно равным а = 20°. Вели­ чина этого угла выбирается из условий, чтобы значение tg a превышало коэффициент трения колец. Это требование обусловлено тем, что в про­ тивном случае внутреннее кольцо в результате самоторможения не будет развивать осевой нагрузки на корпус сальника, требуемой для обеспече­ ния герметичности уплотнения. Однако увеличение этого угла сопровож­ дается необходимостью применения для монтажа уплотнения больших осевых усилий.

Диаметры D\ и D2 (см. рис. 403,6) принимают меньше на величину

475

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЯГКИХ УПЛОТНЕНИИ

Для изготовления уплотнителей применяют материалы, обладающие достаточной плотностью, упругостью, эластичностью и прочностью, а также стойкостью против температурных воздействий и, в частности,, обладающие морозостойкостью, под которой принято понимать способ­ ность материала сохранять эластичность и другие ценные свойства при* низких температурах. Кроме того, свойства материала не должны изме­ няться под действием применяющихся жидкостей.

Для изготовления уплотнительных манжет применяют кожу, резину' и прорезиненную ткань, а также различные заменители резины — поли* хлорвинил, найлон и др. Для изготовления эластичных уплотнительных колец круглого и иных сечений применяют в основном синтетические каучуки с твердостью 70—90 единиц по Шору, причем материалы с меньшей твердостью обычно применяют для изготовления колец, пред­ назначенных для работы в условиях низких температур.

РЕЗИНОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Отличительной особенностью резины является малая упругость формы наряду с высокой объемной упругостью (объемным модулем упругости); по этим качествам резина в некотором роде подобна жид­ кости. Модуль объемного сжатия (упругости) резин на основе каучуков

В условиях требуемых отрицательных температур резина не должна* давать трещин при изгибе. Изменение объема уплотнительного кольца при длительном пребывании его в масле должно быть не более 3—5%, а изменение твердости 6—9%. Следует иметь в виду, что синтетические’ жидкости могут вызвать как чрезмерное набухание материала уплотни­ тельного кольца, так и значительную его усадку.

Наблюдения показали, что интенсивное изменение объема уплотни­ тельных колец из резины происходит в первые часы их пребывания* в масле.

Данные по изменению объема колец из распространенных в уплот­ нительных узлах резин В-14 и В-14-20 (ВРГ-14) при выдержке в масле АМГ-10 при температуре 100° С приведены ниже

476

Требования сохранения объема уплотнительного кольца обусловле­ но возможностью потери герметичности (при усадке) или повышением трения (при набухании), а также возможностью изменения механиче­ ских свойств резины. Так, например, 20%-ное набухание нитрильной резины снижает напряжение на растяжение на 50%.

Следует иметь в виду, что, если резина находится в контакте с жид­ костью, набухание ее частично компенсирует эту потерю натяга. В со­ стоянии растяжения и сжатия резина более восприимчива к химиче­ скому воздействию рабочей среды, с которой она контактирует.

Для упругого уплотнения очень важным является свойство мате­ риала хорошо восстанавливать свою форму с тем, чтобы уплотнение в работе могло следовать за неровностями металлических поверхностей. Критерием качества уплотнительных материалов с этой точки зрения может служить упругость, определяемая как отношение между прило­ женной и отданной энергией тела, падающего на упругое основание. Желательно, чтобы это отношение при нормальной температуре было не менее 0,7.

Одним из свойств резины является то, что, деформируясь, она вос­ станавливает свою форму после снятия нагрузки не сразу, а по истече­ нии некоторого времени. Поэтому при частотных деформациях, обуслов­ ленных движением уплотняемой детали в результате биения вала и штока, резиновое уплотнительное кольцо, не успевая следовать за коле­ баниями, займет новое положение через некоторое время, в результате чего герметичность уплотнительного соединения может быть нарушена.

Следует также учитывать, что длительная работа резиновых уплот­ нительных колец под напряжением может вызвать остаточную деформа­ цию, величина которой зависит от начальных деформаций. Это свойство особенно заметно сказывается при совместном действии высокой тем­ пературы и давления, в результате кольцо под нагрузкой может принять форму канавки и сохранить ее после снятия нагрузки. Натяжение (сжа­ тие) кольца, а следовательно, и герметичность уплотнения будут по­ теряны.

Ниже приведены данные по остаточной деформации уплотнительных колец из резин В-14 и В-14-20 после выдержки в сжатом (на 20%) со­ стоянии в масле АМГ-10 при /=100°С:

На физические свойства резины оказывает заметное влияние тем­ пература, причем отрицательное действие оказывают как особо низкие, так и особо высокие температуры. Более пагубным является действие высоких температур. Низкие температуры вызывают снижение восста­ навливаемости формы резины и ее упругости, обусловленное увеличени­ ем твердости (вплоть до хрупкости), однако эти температуры не приводят к невосстанавливаемым остаточным деформациям, хотя частично упру­ гость резины лри этом и теряется. Так, например, уплотнительные кольца из резины В-14 после двухмесячной работы в условиях температуры —45° С восстанавливают свои упругие свойства после повышения тем­ пературы до +20° С на 80%.

Поскольку при понижении температуры упругие свойства резины понижаются, в эксплуатации гидросистем при отрицательных темпера­

477

турах нередки случаи нарушения герметичности. Эти нарушения обус­ ловлены изменением (уменьшением) объема кольца, а также снижением^ из-за потери эластичности материала кольца его способности заполнять (компенсировать) микро- и макронеровности. В результате резиновое кольцо может отрываться от уплотняемой поверхности. Поэтому одним из основных факторов, характеризующих работоспособность резины уплотнительных колец при отрицательных температурах, является пока­ затель восстанавливаемости и деформируемости этой резины при за­ данной отрицательной температуре под воздействием усилий, соответ­ ствующих напряжению в кольце.

Высокие температуры в отличие от низких вызывают невосстанавливаемое ухудшение показателей по эластичности и твердости резины» а также способствуют появлению остаточных деформаций. По этой при­ чине практически все резины на основе органических полимеров не мо­ гут продолжительно (более 100—200 час) работать при температуре выше 150° С.

Данные по потере уплотняющей способности типового резинового кольца в результате старения в зависимости от температуры приведены ниже:

няющих свойств в сутках

Нарушение герметичности резиновых уплотнений при длительной работе в условиях высоких температур происходит в основном вследст­ вие того, что резина затвердевает. Старение резины сопровождается также снижением напряжения в ней и снижением силы радиального сжатия изготовляемых из нее уплотнительных колец.

Опыт показывает, что при повышении температуры на каждые 15° С долговечность резины (по старению) снижается не менее чем в два раза. Согласно же данным иностранной технической печати, подобное снижение долговечности происходит при повышении температуры всеголишь на 7—8° С.

Указанная зависимость используется зачастую для ускоренных испытаний резиновых уплотнительных колец путем искусственного их старения. Для этого кольца монтируются в специальных втулках с обес­

старение эквивалентно примерно пяти годам работы уплотнения в гид­ росистеме при температуре 50—60° С.

Ввиду того что резины под действием температур теряют свои упругие качества, необходимо при конструировании предусматривать запас упругих свойств уплотнительного устройства или обеспечивать сохранение этих свойств механическими средствами (см. стр. 425—427).

Наблюдения за старением резин в воздухе и азоте при повышенных температурах показали, что основной причиной деградации эластомеров является их окисление. Поэтому необходимо изолировать резиновые из­ делия от контакта с кислородом. В частности, в пневмогидравлических аккумуляторах (см. стр. 294) подобная изоляция достигается заменой воздуха инертным газом (азотом).

Ухудшение физико-механических свойств резины может произойти также в результате ее старения от действия (при неблагоприятных усло­ виях хранения) солнечного света.

478