3.2. Уплотнения

Уплотнения гидросистем служат для предотвращения перетекания жидкости через зазоры в стыках деталей. Уровень уплотнительной техники во многом определяет совершенство гидравлических устройств. Наибольшее количество отказов агрегатов жидкостно-газовых систем происходит из-за негерметичности их уплотнений.

Неподвижные соединения уплотняются в основном различными прокладками, кольцами и реже — за счет притирки и сжатия самих уплотняемых поверхностей. Наиболее распространенные схемы уплотнений неподвижных соединений показаны на рис. 3.3.

Рис 33 Уплотнения неподвижных соединений прокладкой (а), ре­зиновым кольцом круглого сечения (б), пустотелым металлическим кольцом (в)

Рис. 3.4. Уплотнения подвижных соединений а — щелевое уплотнение золотника; б — уплотнение штока резиновым кольцом круглого сечения; в – уплотнение вала резиновым кольцом кругло­ го сечения; г — манжетное уплотнение вала

Для герметизации стыков в качестве уплотнительных прокла­док применяют эластичные материалы и резину (а), для невысоких давлений (4,0...5,0 МПа) используют паронит, для вы­соких — алюминиевые и медные прокладки. Чаще всего применяют резиновые кольца круглого сечения (б), пустотелые металлические кольца (в), саморасширяющиеся или газонаполненные.

Уплотнения подвижных Соединений показаны на рис. 3.4.

Большинство уплотнений полостей герметизируется щелевыми) уплотнениями (рис. 3.4, а). Герметичность таких уплотнений не абсолютная. Герметизируемые давления не ограничены: от единиц до сотен мегапаскалей. Щелевые уплотнения имеют малое трение, высокую тепловую стойкость и практически неограниченный ресурс службы.

Удельные утечки (на единицу периметра) через щелевые уплотнения рассчитываются по формуле Пуазейля:

где — перепад давления; — зазор (высота щели); — коэф­фициент динамической вязкости уплотняемой среды; — длина щели.

Наибольшая сложность возникает при уплотнении выходных штоков силовых цилиндров, а также приводных валиков насосов и гидромоторов, где требуется герметичность без каплеобразования. Штоки при возвратно-поступательном движении чаще всего уплотняются резиновыми кольцами круглого сечения в сочетании с прокладками и подложками из фторопластовых колец (рис. 3.4,6). Фторопласт препятствует выдавливанию резины в зазор и снижает трение. Сжатие резинового кольца в канавке, .должно быть равно 10...16 %. Достоинствами уплотнений резиновыми кольцами круглого сечения являются высокая герметич­ность, малое трение и идеальная простота конструкции. Однако эти уплотнения недостаточно теплостойки при температурах свы­ше 100 °С, затруднена герметизация в нерабочем состоянии меха­низма при температурах минус 20... минус 30 °С, ресурс ограничен несколькими тысячами часов работы. Параметрами уплотнений возвратно-поступательных соединений гидравлических агрегатов являются скорость скольжения, равная 0 ... 150 мм/с, давление среды — до 30,0 МПа, срок службы порядка — 3000 ... 6000 ч при температурах рабочей среды 50...80°С.

Резиновые кольца круглого сечения применяют также для уплотнения вращающихся валов при относительно малых скорос­тях скольжения. На рис. 3.4, в показано уплотнение вала гидромотора. Наклон кольца сделан для обеспечения смазки зоны контакта и отвода тепла, генерируемого при трении.

Параметры этих уплотнений определяются следующими усло­виями работы: скорость скольжения до 1,5 м/с, давление среды до 3,0 МПа, кольца в канавку монтируются с радиальным и ок­ружным сжатием. Окружное сжатие препятствует проворачива­нию кольца в канавке, радиальное сжатие обеспечивает плотный контакт с уплотняемой поверхностью.

Приводные валы насосов уплотняются манжетами, дополни­тельный прижим которых обеспечен браслетной пружиной (рис. 3.4,г). Косая кромка манжеты способствует лучшей смазке и охлаждению вала. Параметрами манжетных уплотнений валов являются скорость скольжения до 5 м/с, давление среды — до 0,20 МПа, натяг кромки манжеты при монтаже на вал — 0,2 мм. Температура рабочей кромки манжеты для нитрильных резин не должна превышать 100...120 °С. Нагрев кромки в результате тре­ния о вал может составлять 20... 30 °С. Таким образом, темпера­тура рабочей среды не должна превышать 70...80°С. В указан­ных условиях ресурс уплотнений манжетами составляет 5000... 6000 ч.

Для работы в условиях высоких давлений жидкости, особенно при высоких температурах, применяют уплотнения торцевого ти­па. Торцевое уплотнение вала состоит из уплотнительного коль­ца 2, изготовленного из мягкого антифрикционного сплава, и опор­ного бурта вала 3 высокой твердости. Пружина 1 создает кон­тактное давление на поверхности колец 2 и 3, достаточное для предотвращения утечек при нулевом давлении среды (рис. 3.5).

Эти уплотнения применяют при окружных скоростях вала да 50 м/с и давлениях среды до 40 МПа.

Рис. 3.5. Торцевое уплотнение вала

Детали уплотнения 2 и 3 рассчитывают из условий нераскрытия стыка, и в то же время стык не должен быть нагружен избы­точной силой, чтобы трение не было слишком большим и не взывало перегрева поверхностей контакта.

Условие равновесия подвижного кольца без учета сил трения для случая гидродинамического течения жидкости в зазоре мощно записать в виде

где — среднее избыточное давление в зазоре между прилегающими поверхностями колец; — площадь контакта; — перепад уплотняемого давления; — площадь прижима; — усилие затяжки пружины.

Допуская, что распределение давления жидкости в зазоре будет линейным, можно принять

.

Гидравлическая сила прижима будет равна силе расклинивающей, если отношение площадей составляет

.

При указанном значении коэффициента & плотность контакт достигается лишь за счет действия пружины / (рис. 3.5). Поскольку распределение давления может быть нелинейным, коэффициент Ъ принимают обычно больше 0,5, чтобы гарантировать плотность контакта.

Для уплотнений с шириной полоски контакта и = 4...5 мм для малых давлений принимают &=0,55...0,60.

К механическим уплотнениям предъявляют высокие требования по точности изготовления: биение торца — 0,01 мм, неплоско­стность и волнистость — 0,8...1,0 мкм. Поверхности трения дово­дятся путем притирки.

Для уплотнения штоков гидравлических силовых цилиндров, работающих в тяжелых условиях (частые перекладки, запылен­ная атмосфера, наличие перерезывающих усилий), применяют шевронные манжетные уплотнения. Конструкция одного из таких уплотнений показана на рис. 3.6, а.

Первоначальный контакт манжеты с уплотняемой поверхностью обеспечивается за счет монтажного сжатия. С увеличение давления жидкости увеличиваются площадь контакта и сила трения манжеты о подвижную деталь.

Для изготовления манжет применяют различные материалы: кожу, резину, прорезиненные хлопчатобумажные, асбестовые и асбометаллические ткани, пластмассы, в том числе и фторопласт-4, имеющий низкий коэффициент трения по стали ([=0,01...0,03). Для резины по стали коэффициент трения составляет 0,05...0,30. Коэффициент трения зависит от температурных условий, скорости скольжения, вида смазки и давления жидкости. Манжетные уплот­нения требуют высокой чистоты обработки уплотняемой поверх­ности подвижных деталей, так как шероховатость поверхности сильно влияет на износ уплотнения.

Рис. 3.6. Уплотнения штоков (а) и поршней (б) гидравлических силовых цилиндров для тяжелых условий работы

Наиболее долговечным после щелевого уплотнения является уплотнение с помощью металлических разрезных колец в агре­гатах с поступательным движением, особенно при повышенных скоростях. Схема металлического кольца показана на рис. 3.6, б. Для удобства установки, а также для обеспечения плотности кон­такта с уплотняемой поверхностью металлические кольца делают разрезными. Форма разреза кольца может быть разной, два типа разреза изображены на рис. 3.6, б. Такое кольцо обычно вставля­ется в канавку, выполненную на поверхности поршня. Количество колец зависит от давления жидкости. Для давления 15 МПа обычно используют два кольца. Материалом для металлических колец служат серый чугун, бронза. Распространены также кольца из текстолита, графита и металлографитовой массы.

Для подвода жидкости к перемещающимся агрегатам приме­няют гибкие трубопроводы, которые могут быть изготовлены из армированных резиновых рукавов, из гофрированных фтороплас­товых или стальных труб.

При большом сроке службы используют металлические трубы в форме витых пружин. Радиус изгиба пружин и количество вит ков подбирают таким образом, чтобы максимальная деформация трубы не превышала допустимого значения.

В гидроавтоматике для подвижных соединений с ограничен­ным ходом широко применяют разнообразные разделители сред, к которым относятся сильфоны, мембраны и гибкие трубки. С их помощью можно получить абсолютную герметичность подвижных элементов. Изготавливают разделители сред из нержавеющей стали, латуни, фосфористой бронзы, резины, фторопласта и других материалов.

Наиболее важной характеристикой уплотнений является их герметичность. Для сравнения уплотнений различных типоразмер ров необходимо выявить общие закономерности утечек.-Утечки определяют по эмпирическим и теоретическим формулам, вклю­чающим такие параметры уплотнений, как диаметр , ширина контакта , зазор , вязкость рабочей среды , скорость , герме­тизируемое давление р.

Утечки по уплотнениям подвижных соединений связаны с об­разованием пленки смазки толщиной АЛ между контактирующи­ми поверхностями при их взаимном перемещении. Герметичность уплотнения зависит от режима трения, характеризуемого крите­рием . В уплотнении подвижных соединений (УПС) объем утечки пропорционален площади контртела (например, штока): , . В уплотнениях валов расход утечки пропорционален периметру и . Герметичность из-за диффузии свойственна в той или иной степени всем уплотнениям. На герметичность и трение существенно влияют многочисленные случайные факторы: загрязнение жидкости, старение и температурные свойства материалов, деформации и т. д. Их можно оценить только при статистическом подходе к изучаемой проблеме. Утечки в большой партии уплотнений определяют наиболее характер­ным средним значением <2_Ср> а отклонения от нее находятся в определенных пределах, что позволяет установить с помощью статистической обработки математическое ожидание и дисперсию утечек.

Классы негерметичности определяют с учетом закономерностей утечек для различных типов уплотнений. Утечки пропорцио­нальны характерным размерам соединений, поэтому целесообраз­но оценивать класс герметичности по утечке за килосекунду, отнесенной к периметру , либо по утечке , от­несенной к единице площади контакта . Для диффузионного проникновения . Удельные утечки примерно соответствуют утечке по уплотнению вала (УВ) при диаметре — 30 мм за 15 мин, а V — утечке УПС по штоку при =30 мм за 100 двойных ходов длиной = 100 мм.

В процессе эксплуатации вследствие старения материала, из­носа сопряженных поверхностей и воздействия таких неблагопри­ятных факторов, как деформация посадочных мест и вибрация, происходит постепенное нарастание утечек. Когда они превышают допустимые нормы, уплотнение необходимо заменять. Обычно при эксплуатации допускаются утечки по нормам следующего класса (группы) герметичности. Количественная оценка утечек при эксплуатации изделий затруднена и даже невозможна, по­этому в классах негерметичности даются также критерии визуаль­ной оценки. После длительной эксплуатации изделий утечки не­стабильны по времени и имеют случайные кратковременные пики повышения расхода. Наиболее вероятной причиной этого явления следует считать расклинивающий эффект от попадания в зазор твердых частиц загрязнений. В классах негерметичности [3] пер­вая группа оценивает герметичность при нормальной работе, а вторая — выбросы утечек, а также допустимый уровень утечек в эксплуатации (табл. 3.2).

Проблема герметизации в последние десятилетия усложнилась в связи с повышением рабочих давлений, температуры и скорости приводов. С ростом температуры падает вязкость масла и быст­рее стареют эластомеры. Следует также учитывать местный на­грев уплотнений в результате трения уплотнений о вал. Темпера­тура в месте контакта резинового уплотнения с валом превышает температуру рабочей жидкости на 50...60 °С, т. е. при = = 100°С достигается предельно допустимая температура на по­верхности контакта для нитрильных резин (150...160 °С). Резины на основе фторкаучуков более термостойкие, но имеют худшие свойства при отрицательных температурах.

Уплотнение сред при высоких температурах достигается при­менением торцевых уплотнений из металла, графита, ситаллов или металлокерамики. Торцевые уплотнения допускают =100 м/с, =10 000 об/мин и давления в десятки мегапаскалей при = =200 °С и более. Для УН используют полые металлические кольца.

Пример. Определить утечки по уплотнению штока резино­вым кольцом с протектором (см. рис. ЗА, б), у которого периметр = 100 мм, ход штока =100 мм, скорость скольжения = 0,05 м/с, давление р=10 МП а, вязкость масла . При нормальной температуре утечки соответствуют классу 2—2: (табл. 3.2).

Таблица 3.2 Классы негерметичности уплотнений и удельная утечка

Класс-группа	Удельная утечка	Критерий качественной оценки	Типы уплотнений
0-0 0-1 1-1 1-2 2-1 2-2 3-1 3-2 4-1 5 6 5 6		Абсолютная герметичность То же Визуально невидимое отпотевание То же Подтекание без каплеобразования То же Подтекание с каплеобразованием Капельные утечки » » Непрерывные утечки » »	Металлические сильфоны, мембраны полимерные То же Мембраны диффузия через резину через резину Уплотнения неподвижных соединений (УН) эластомерные УН в тяжелых режимах, эластичные УПС штоков, УВ валов манжетные То же УПС в тяжелых режимах, УВ манжетные, торцевые УВ торцевые, манженые УВ торцевые, УПС набивочные УВ, УПС бесконтактные То же

Объем утечки за один и 10* двойных ходов при нормальной температуре (табл. 3.2):

Для пересчета утечки на условия минус 20°С и = 0,5 м\с воспользуемся уравнением толщины масляной пленки для прямого и обратного хода штока (выдвижение — прямой ход):

;

где — коэффициенты; — вязкость жидкости при внутреннем и наружном давлении; р_к0 — контактное давление уплотнения на шток, обусловленное деформацией сжатия; р — давление уплотняемой жидкости.

При изменении и в уравнениях меняется только член поэтому при :

при

при