4.1.Методы герметизации

Изделия машиностроения герметизируют несколькими методами[24]:

1) метод точной пригонки контактных поверхностей сопрягаемых деталей, обеспечивающий минимальный зазор в соединении;

2) метод сжатия контактирующих деталей с деформацией микронеровностей в контактной зоне;

3) метод заполнения зазоров в соединении разделительными средами, препятствующий утечке герметизируемых сред.

4) метод использования электромагнитных полей, взаимодействующих со средами в зазорах соединения;

5) метод генерирования инерционных и вихревых сил, увеличивающих сопротивление истечению сред;

6) метод формирования неразъемных соединений путем сварки, пайки и склеивания.

Точная пригонка сопрягаемых поверхностей до недавнего времени являлась наиболее распространенным методом герметизации подвижных соединений путем чистовой обработки деталей для получения точных размеров, формы и малой шероховатости, выполняемой на доводочных станках или вручную с помощью абразивных инструментов (притиры) и материалов (порошки, пасты).

В значительной мере благодаря методу точной пригонки в машиностроении сложилось отношение к уплотнениям как к прецизионным узлам, Недостатки метода связаны с трудоемкостью доводки деталей из конструк-ционных материалов; высокой себестоимостью прецизионных пар, выполненных из высокопрочных материалов; необходимостью защиты герметичного соединения от попадания в зазор механических загрязнений; значительной вероятностью отказов уплотнений вследствие фрикционного и коррозионного повреждения герметизируемых соединений.

Использование этого метода герметизации экономически оправдано при повышенных требованиях к надежности уплотнений, экстремально высоких давлениях и температурах герметизируемых сред.

Сжатие контактирующих деталей деформирует микронеровности в контакте, сближает сопрягаемые поверхности и относится к универсальному методу герметизации, применяемому в технике высоких давлений и в вакуумной технике.

Если жесткость соединений не ограничивает работоспособности конструкций, между сопрягаемыми деталями помещают герметизаторы из материалов малой и средней прочности,

В зависимости от механических и технологических свойств герметизирующих материалов, условий эксплуатации и требований к герметичности используют множество конструктивно-технологических форм уплотнений, работающих при сжатии.

По признаку адгезионного взаимодействия герметизирующих и конструкционных материалов различают несколько типов уплотнений.

Метод использования герметизаторов из материалов малой и средней прочности имеет следующие преимущества:

●технологичность процесса герметизации,

●снижение требований к чистоте и точности сопрягаемых поверхностей, ●уменьшение трудоёмкости уплотнений;

●недефицитность и взаимозаменяемость герметизаторов из резины, пластмасс и других подобных материалов;

●надежность герметизации, высокая степень защиты соединений от щелевой коррозии.

Недостатки данного метода:

●неравнопрочность материалов герметичного соединения, вследствие чего обеспечение надежностисвязано с необходимостью создания специальных устройств для поддержания контактного давления в соединении, снижающегося вследствие релаксации напряжений в герметизаторе;

●опасность выдавливания герметизаторов при экстремальных перепадах давлений в уплотнении, чрезмерной затяжке соединений и других нештатных ситуациях.

Метод заполнения зазоров в соединении разделительными средами, препятствующими утечке герметизируемых сред, применяют как самостоятельный метод герметизации, так и в сочетании с двумя предыдущими методами. В качестве разделительных сред обычно используют жидкости, смачивающие поверхности сопряженных деталей и несмешивающиеся с герметизируемыми средами. Во многих случаях этим критериям отвечают смазочные масла, плёнки которых при толщинах 0,01...0.1 мкм несут значительные нагрузки в уплотнениях. В вакуумной технике зазоры уплотнений заполняют жидкостями с низким давлением насыщенных паров, например, галлием, индием, оловом и их сплавами.

Преимущества метода: высокая эффективность герметизации газовых сред и вакуума; возможность автоматического регулирования противодавления в герметизируемом объеме при изменении эксплуатационных факторов; выполнение разделительными средами дополнительных функций при эксплуатации уплотнений - регулирование теплообмена, смазывание, электрическая изоляция и т.п.; демпфирование механических колебаний, возникающих при эксплуатации уплотнений.

Недостатки метода: ограниченность температуры эксплуатации уплотнений фазовыми переходами разделительных сред; сложность и высокая трудоемкость изготовления уплотнений, содержащих системы циркуляции разделительных сред; вероятность попадания разделительных сред в герметизируемый объем; невысокая стойкость пленок разделительной жидкости к фрикционному разрушению и выдавливанию из зазоров герметизируемой средой.

Использование электромагнитных полей для герметизации соединений в машинах базируется на принципах электромеханики и магнитной гидродинамики. В результате взаимодействия электромагнитного поля и находящихся в зазорах соединения специальных разделительных сред последние сосредотачиваются в зонах наибольшей напряженности поля, создавая барьер для герметизируемых сред.

В машиностроении в основном применяют индукционные и магнито-жидкостные уплотнения, основанные на этом принципе. Магнито-жидкостные уплотнения содержат в качестве разделительной среды магнитные жидкости, которые представляют собой коллоидный раствор магнетита в керосине. Частицы магнетита размером 0,01 мкм для предотвращения слипания снабжены покрытиями из поверхностноактивных веществ. Магнитные жидкости отличаются необычным сочетанием свойств − намагниченностью и текучестью. В магнитном поле они приобретают магнитный момент, на порядок меньший магнитного момента твердых магнетиков.

В настоящее время созданы магнитные жидкости на основе воды, толуола, эфиров, фторуглеродов, минеральных и синтетических масел, содержащих коллоидные дисперсии практически всех известных ферромагнетиков.

Преимущества метода: высокая эффективность герметизации вакуума в широком интервале скоростей и температур; повышенный ресурс подвижных уплотнений при минимальном обслуживании; удобство регулирования параметров индукционных уплотнений путем изменения режимов питания обмоток возбуждения; возможность повышения электропроводности и магнитной проницаемости зазоров в уплотнениях электро- и радиотехнических изделий.

Недостатки метода: токсичность паров жидких металлов, дефицитность и высокая стоимость магнитных жидкостей; низкая эффективность герметизации сред, находящихся под избыточным давлением, нагревание индукционных уплотнений вихревыми токами. Дальнейшее развитие этот метод подучил в магнитопорошковых уплотнениях. Магнитным порошком заполняют зазор в соединении и удерживают его неоднородным магнитным полем, обусловливающим распределение частиц, при котором создается высокий градиент их магнитного поля в направлении движения абразива,

Генерирование инерционных и вихревых сил, увеличивающих сопротивление истечению герметизируемых сред, широко применяют в машиностроении в связи с увеличением рабочих скоростей машин. Сущность метода состоит в динамическом воздействии вращающихся деталей, потоков жидкости или газа на герметизируемые среды, препятствующем вытеканию последних через зазоры в соединение.

Метод генерирования вихревых и инерционных сил часто используют в сочетании с другими методами герметизации. Так, особенность манжетно-винтовых уплотнений состоит в наличии винтовых канавок на контактирующих поверхностях манжеты или вала. Предложено уплотнение вращающегося вала, где функцию разделительной среды выполняет расплав полимера. Этот метод в основном применяют в машинах, работающих с химически активными средами, и в космической технике. Поток сред используют для регулирования теплообмена в машинах, автоматического смазывания, поддержания нагрузочных режимов эксплуатации узлов и т.д.

Формирование неразъёмных соединений путем сварки, пайки и склеивания сопряжённых деталей относится к самому надежному методу изоляции сред. Они аналогичны методу герметизации с помощью разделительных сред, так как на начальном этапе формирования соединений функцию разделительной жидкости выполняют расплав соединяемых материалов, припой или клей. Последующее затвердевание герметизирующего материала обеспечивает стабильность герметичного состояния неразъемного соединения.

Сварка — процесс получения неразъемного соединения деталей машин, конструкций и сооружений при их местном или общем нагреве, пластическом деформировании или при совместном действии того и другого в результате установления межатомных связей в месте их соединения. В машиностроении при герметизации соединений используют свыше 60 способов сварки, при которых герметизирующий материал расплавляется (дуговая, электрошлаковая, электронно-лучевая, плазменная, световая, газовая и др.), нагревается и пластически деформируется (контактная, высокочастотная, газопрессовая и др.) или деформируется без нагрева (холодная, сварка взрывом и др.).

Газовую сварку применяют при герметизации соединений из углеродистых, реже высоколегированных сталей и цветных металлов. Ручную дуговую сварку и ее разновидности (полуавтоматическую и автоматическую сварку под флюсом) используют для изготовления металлических емкостей с толщиной стенки более 2 мм. С помощью электрической сварки в среде инертных газов герметизируют соединения деталей из высоколегированных сталей и цветных металлов, а в среде углекислого газа - из углеродистых низколегированных, в отдельных случаях — из хромоникелевых сталей [75].

Пасты защищают от коррозии сварные швы. В машиностроении, авиации широко применяют сварку К сожалению в зоне сварного шва изменяются свойства металла — иногда очень существенно. Помимо изменения механических свойств может существенно ухудшиться коррозионная стойкость материала. Распространено заблуждение, что нахлёсточные сварные соединения можно защитить, покрасив их снаружи по контуру. Однако опыт эксплуатации авиационной и другой техники показывает, что такая защита ненадёжна. Защитный слой вследствие его хрупкости и слабой адгезии разрушается. В результате коррозионные процессы протекают внутри соединения очень интенсивно. Для защиты сварных соединений в ВИАМе созданы антикоррозионные сварочные составы (пасты) ПСП и КСП. Их применение повышает коррозионную стойкость металлов и сплавов сварного нахлёста более чем в 10 раз.

Такие составы обладают термостойкостью до 150°С (ПСП-2) и 300°С (КСП-5). После нанесения состава на поверхность металла сварку можно производить в течение суток. Пасты обладают высокими защитными свойствами при любых климатических условиях. Очень важно, что детали и узлы, свариваемые с применением паст, можно подвергать различным гальваническим операциям [75].

Пайка — процесс получения неразъемного соединения путем нагревания места пайки и заполнения зазора между соединяемыми деталями расплавленным материалом припоя.

Преимущества метода: технологичность, возможность автоматизации монтажа герметичных соединений сложной конфигурации; меньшая материалоемкость и себестоимость неразъемных соединений по сравнению с уплотнениями, реализующими другие методы герметизации; применимость метода для герметизации соединений, выполненных из любых конструк-ционных материалов; равномерность распределения механических напряжение по площади клеевых и паяных соединений, способности клеевого слоя демпфировать вибрации.

Недостатки методов пайки и склеивания: неразъёмность герметичных соединений; необходимость затвердевания расплава или клея удлиняет технологический цикл герметизации и усложняет монтаж соединений; трудность обнаружения технологических дефектов, необходимость выполнения герметизации высококвалифицированными специалистами; подверженность сварных и паяных соединений локальной коррозии, а клеевых соединений — старению в средах; опасность разгерметизации соединений вследствие образования трещин в зоне шва при сварке деталей из высокопрочных сталей, алюминия и магния.

С помощью пайки герметизируют соединения деталей сложной формы-с большим числом внутренних полостей. В основном пайку используют в вакуумной технике, при монтаже коммуникаций ядерных реакторов, в космическом машиностроении. При герметизации соединений из неметаллических и некоторых металлических материалов на детали наносят покрытия из металлов, легко поддающихся пайке.

Схема типов соединений для обеспечения герметизации изделий машиностроения приведена на рис.4.1.