книги из ГПНТБ / Макаров Г.В. Уплотнительные устройства

Глава II

УПЛОТНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ СОЕДИНЕНИЙ

СВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНЫМ ДВИЖЕНИЕМ

Внастоящей главе рассматриваются контактные уплотнитель­ ные устройства, применяемые для герметизации соединений, имеющих относительное'возвратно-поступательное движение дета­ лей (штоков, поршней, цилиндров).

Другие разновидности, например щелевые, гидродинамические с деформируемой втулкой, которые могут быть использованы как для соединений, имеющих относительное возвратно-поступатель­ ное движение, так и для соединений с вращательным движением деталей, будут рассмотрены отдельно.

4. КЛАССИФИКАЦИЯ ОСНОВНЫХ РАЗНОВИДНОСТЕЙ УПЛОТНИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ СОЕДИНЕНИЙ

СВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНЫМ ДВИЖЕНИЕМ

По принципу действия уплотнительные устройства подразде­ ляются на контактные и бесконтактные.

Кконтактным уплотнительньш устройствам относятся: коль­ цевые, манжетные, сальниковые, дифференциальные.

Кбесконтактным уплотнительньш устройствам—щелевые и сильфонные. Щелевые уплотнения ограничивают вытекание жидкости за счет гидравлического сопротивления при протекании

вмалом зазоре. Щелевые уплотнения подразделяются на простые щелевые, лабиринтные и с деформируемой втулкой. В сильфонных уплотнениях соединение изолируется за счет пайки (или другого закрепления) концов деформируемого гофрированного уплотнительного элемента.

По материалам уплотняющих деталей уплотнительные устрой­ ства разделяются на следующие:

а) неметаллические (резиновые, пластмассовые, графитовые, пеньковые, асбестовые и др.);

б) металлические (стальные, чугунные, бронзовые, медные, алюминиевые и др.).

По продолжительности работы: работающие длительно, на­

Ю

Упомянутые выше уплотняющие детали применяются как по от­ дельности, так и в различных сочетаниях, в зависимости от усло­ вий их работы и принятого конструктивного решения.

Рассмотрим особенности отдельных уплотнений, а также обоб­ щенные опытные данные по величине утечки жидкости, долговеч­ ности уплотнений и потерям энергии при работе.

5.ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНЫХ ДАВЛЕНИЙ, ВОЗНИКАЮЩИХ НА УПЛОТНЯЮЩИХ

ПОВЕРХНОСТЯХ ПРИ СБОРКЕ

Мягкие уплотняющие детали контактных уплотнений (уплотнительные кольца, манжеты и др.) устанавливаются в гидравличе­ ские агрегаты с натягом. При этом на запирающих поверхностях создается предварительное удельное давление.

Как показывают эксперименты, величина предварительного удельного давления оказывает существенное влияние на величину утечки жидкости через соединение при работе, а также на вели­ чину сил трения в уплотнениях, а следовательно, на их долговеч­

Роа~ К (е'«+ (2r2+1)tf+**)-*»i J' ( )

и

материала уплотняющих деталей.

При наличии натяга величина е,н будет отрицательной.

Предварительные удельные давления на запирающих поверхностях манжет

р„„ш/см

18

12

Проведенные вычисления для отдельных уплотнений с целью выявления порядка величины предварительных удельных давле­ ний, возникающих на уплотняемых поверхностях при сборке,

так как они прямо пропорциональны модулю упругости Е. При рас­ четах принят для резины Е 70 кгс/см2 .

Определение удельных давлений, возникающих под действием давления запираемой жидкости

Большинство, контактных уплотняющих деталей представляет собой разновидности мягких колец или комбинации из них.

ствием рабочей среды, воспользуемся уравнениями Ляме, уста­ навливающими распределение напряжений в цилиндрическом

кольце (подробнее см. 1-е изд. настоящей книги).

Путем расчетов получены следующие результаты для различ­ ных случаев применения резиновых уплотнительных колец.

1. Кольцо установлено свободно в канавке цилиндра. Если жидкость действует в осевом"и радиальном (снаружи) направле­ ниях, то

где rlt г0 — соответственно наружный и внутренний радиусы кольца.

Принимая для резины т = 2,22 (ц = 0,45), подучим

,1 1,07.

2. Кольцо поставлено без зазоров по боковым поверхностям. Жидкость действует снаружи в радиальном направлении. Для вну­ тренней поверхности кольца, прилегающей к штоку,

при т — 2,22

Р.

13

С учетом сил трения на боковых поверхностях кольца, очевидно,

3. Кольцо поставлено без зазоров по внутренней и наружной поверхностям. Жидкость действует в осевом направлении. Такие кольца могут быть применены для уплотнения как поршня, так и штока.

В этом случае

для резины -у- я«! 0,82.

4. Кольцо установлено свободно в канавке поршня. Жидкость действует в осевом и радиальном (изнутри) направлениях. Тогда

-^ ^ 0 , 8 2 .

Р'

Вэтом случае давление на запирающих поверхностях меньше "давления рабочей жидкости. Уплотнение не может под действием давления жидкости прекратить утечку, имевшую место при отсут­ ствии давления. Уплотнение может работать только при наличии предварительного натяга.

5. Кольцо поставлено без зазоров по боковым плоскостям. Давление жидкости действует только изнутри в радиальном направлении.

При этом

для резины

Р

Уплотнение работает при наличии предварительного натяга. Для уплотнения штоков лучше применять кольца, рассмотренные в пунктах 1, 2; для уплотнения поршней — в пункте 4.

14

6. УПЛОТНЕНИЕ КОЛЬЦАМИ, ПОСТАВЛЕННЫМИ С НАТЯГОМ

Уплотнение резиновыми кольцами

Широко применяемые резиновые кольца являются малогаба­ ритными уплотнениями, обеспечивающими во многих случаях приемлемую степень надежности и долговечности.

На рис. 2 изображено уплотнение штока и поршня резиновыми кольцами. Размеры резиновых колец и рекомендуемых для них канавок предусмотрены ГОСТ 9833—61.

Уплотнения резиновыми кольцами применяются для. запира­

100 кгс/см2 , а с применением защитных шайб из фторопласта —

давления рассмотрены выше. Для резиновых колец имеем — «

«0,82.

Наиболее благоприятным с точки зрения герметичности яв­ ляется случай, когда кольцо поставлено без зазора" по боковым плоскостям, а жидкость ^подводится с наружной поверхности, в этом случае

р

Для надежной работы уплотнительных колец большое значе­ ние имеютвеличинаобжатия k уплотнительного кольца при сборке и величина радиального зазора между цилиндром и штоком s.

15

При наличии значительного разогрева в зоне расположения уплотнений, особенно при применении бронзовых поршневых вту­ лок, во избежание заклинивания их в цилиндрах при движении должна производиться соответствующая проверка.

Диаметральные размеры гнезда под кольцо должны выдержи­ ваться по возможности точно.

Величина обжатия кольца при сборке определяется требова­ ниями герметичности соединения и долговечности уплотнения. Для повышения герметичности целесообразно увеличивать натяг, особенно для работы в условиях отрицательных температур.

Обычно принимают для подвижных соединений относительный

шаться вследствие вымывания пластификаторов, поэтому целесооб­ разно перед сборкой выдерживать кольца несколько дней в рабо­ чей жидкости при нормальной температуре, а затем произвести обмеры их.

Для уменьшения выдавливания колец в зазоры радиусы за­ кругления наружных углов канавок должны быть минимальными, например, г ^ 0,02-4-0,04 мм, материалы цилиндра и поршня должны быть разными и так подобраны, чтобы не вызывать задира цилиндра.

Разрушение уплотнительных колец наступает в результате выдавливания кольца в зазор между цилиндром и поршнем (или между цилиндром и штоком) и выщипывания части кольца в связи с переменой знака у силы трения, вызывающей переменные напря­ жения сжатия и растяжения в этом объеме резины.

В результате повреждения и местного защемления резины при перекосе штока кольцо иногда разрывается и наступает прорыв рабочей жидкости. Выдавливание кольца возрастает с увеличе­ нием зазора (особенно для поршней большого диаметра).

При длительной работе также имеют место незначительный износ кольца и уменьшение натяга.

Для уменьшения силы трения при движении и увеличения долговечности применяют канавки с наклоном рабочих стенок

16

перечного сечения (рис. 3, б), которые не подвержены спиральному скручиванию. Они обеспечивают более надежную герметизацию

Рис. 3. Разновидности уплотнительных колец и канавок

при меньшем обжатии кольца. Такое кольцо может ставиться в обычную канавку для колец с круглым поперечным сечением. Сопротивление началу движения меньше, чем у колец с круглым сечением.

X-образные кольца являются промежуточными между манже­ той и кольцом, устанавливаемыми с натягом.

Установка колец прямоугольного сечения с подводом жидкости в канавку для лучшего поджатия кольца к уплотняемой поверх­ ности приведена на рис. 3, в.

Комбинированные кольцевые уплотнения

Существенными недостатками применяемых резиновых уплот­ нений являются: прилипание резины к сопряженным металличе­ ским поверхностям в состоянии покоя, значительные силы трения

и повышаются пределы колебаний допускаемой температуры рабо­ чей жидкости. С уменьшением силы трения уменьшается потреб­

струкции уплотнений успешно применяются при давлениях от 0 до 350 кгс/см2 и температурах от —80 n i y + 2 5 0 ° С,

у , b i i • • ' - : 4Л СССР

В качестве материала рабочего кольца применяется фторо­ пласт, обладающий малым коэффициентом трения. Резина должна поджимать фторопласт к поверхности скольжения. Эффективность уплотнения зависит от принятого соотношения размеров пласт­ массового и резинового колец. При выборе резины следует учиты­ вать ее твердость, рабочую жидкость и температуру жидкости.

7. МАНЖЕТНЫЕ УПЛОТНЕНИЯ

Резиновые манжеты по сравнению с резиновыми уплотнительными кольцами допускают применение более высоких давлений, имеют меньшую утечку жидкости при работе и большую долговеч-

ность, хотя их конструкция сложнее и габариты больше, а также выше силы трения и потери энергии в уплотнениях при движении.

Манжеты бывают нормальные (рис. 5, а), шевронные (рис. 5, б)

ишевронные— ГОСТ 9041—59.

Вкачестве материала нормальных манжет применяется резина, шевронных — прорезиненная хлопчатобумажная ткань и резина,

иногда капрон, полихлорвинил, прорезиненный текстолит, кожа и др. В случаях специального использования манжеты могут быть выполнены из ковкого чугуна, нержавеющих сталей, никелевых сплавов.

Прямоугольные манжеты изготавливают из "прорезиненной ткани и твердой резины.

Наиболее широкое применение нашли нормальные и шеврон­ ные манжеты.

&

Прямоугольные манжеты имеют большие габариты, а также, ввиду большой их жесткости, для запирания жидкости при малых давлениях требуют предварительной осевой затяжки, что вызы­ вает большие силы трения. Поэтому эти манжеты находят приме­ нение в сочетании с сальниковой набивкой, например в ковочных прессах при сравнительно высоких давлениях [51].

Манжеты обычно устанавливают в сочетании с металлическими подманжетными кольцами. Однако, как показывают эксперименты, манжеты при наличии постоянного направления давления жидко-

Рис. 6. Уплотнение поршня и штока манжетами:

сти способны надежно запирать жидкость и без подманжетных колец.

Конструкции уплотнения штока и поршня при использовании нормальных манжет представлены на рис. 6.

Манжеты применяются при давлении жидкости приблизи­ тельно до 500 кгс/см2 и скорости перемещения штоков и поршней

масло АУ) до 1000 кгс/см2 и скорости перемещения штоков 0,6 м/с в течение суммарного числа ходов 1150. Герметичность соедине­ ния была в заданных пределах.

Допускаемое давление жидкости и скорость перемещения опре­ деляются из условий обеспечения заданной долговечности манжет и отсутствия недопустимого нагрева гидравлического агрегата за счет работы сил трения в уплотнениях.

Приближенное значение максимального давления жидкости, которое допускается прочностью манжет, можно определить из рассмотрения прочности лопасти на разрыв от силы трения, возникающей на соответствующем участке лопасти,

19