Уплотнительные устройства

Главная функция уплотнительных элементов заключается в предупреждении утечек и перетекания рабочей жидкости через зазоры между сопрягаемыми поверхностями гидропривода, которые образуются при перепаде давления.

Уплотнительные элементы должны удовлетворять ряду важных требований:

• Износостойкость, обеспечивающая долговременную эксплуатацию без потери герметичности;
• Химическая и физическая совместимость с компонентами гидросистемы и рабочей жидкостью, чтобы исключить разрушение уплотнителя или коррозию деталей;
• Устойчивость к быстрому изменению температуры, включая экстремальные нагревы и охлаждения в процессе работы;
• Удобство установки и снятия, что облегчает техническое обслуживание;
• Экономичность, обеспечивающая приемлемую стоимость при массовом применении.

Уплотнительные элементы подразделяются на две ключевые категории:

• Уплотнения стационарных соединений, призванные обеспечивать полную герметичность независимо от режима работы гидросистемы;
• Уплотнения движущихся соединений, допускающие контролируемые утечки и перетечки рабочей жидкости в пределах установленных нормативов.

Считается, что уплотнение сохраняет герметичность, если:

• для фиксированных соединений после продолжительного давления утечки не выходят за установленные нормы;
• для соединений с движущимися частями объем утекшей жидкости остаётся в пределах допустимого после определённого количества циклов.

Уплотнение неподвижных соединений

В неразъемных соединениях герметичность обеспечивается за счёт пайки или сварки, создавая прочное, долговечное соединение без утечек рабочей жидкости.

Для разъемных соединений предотвращение протечек достигается различными методами:

• Деформацией контактных поверхностей под воздействием внешней нагрузки;
• Взаимной приработкой сопряжённых деталей, когда они под действием нагрузки принимают оптимальную форму стыка;
• Заполнением микронеровностей специальными уплотнительными материалами, такими как прокладки из резины, кожи, картона или других композитов.

Между соединяемыми частями всегда создаётся контактное давление, превышающее максимальное рабочее давление гидросистемы; это достигается затяжкой крепежа. Примеры неподвижных уплотнительных конструкций с мягкими прокладками и кольцами приведены на рис. ZSK.30.1.

Рис.ZSK.30.1. Уплотнение стационарных соединений

В качестве прокладок применяют эластичные материалы, как металл, так и неметаллы, которые обеспечивают компенсацию неровностей и дефектов поверхностей при стягивании соединения.

Уплотнение подвижных соединений

Такие соединения могут уплотняться бесконтактным методом (щелевым) либо контактным способом с использованием различных типов уплотнителей.

Щелевое уплотнение (см. рис. ZSK.30.2, а) находит широкое применение в гидравлических агрегатах, включая насосы, распределители и другие элементы гидросистем. Снижение перетеканий рабочей жидкости достигается за счёт уменьшения зазора s между движущимися деталями. Полностью исключить утечки невозможно, поэтому их величина заранее оценивается. Для цилиндрических компонентов она определяется по следующей формуле:

где:

d — диаметр соединяемых деталей;

s — зазор между сопрягаемыми элементами;

l — длина участка уплотнения;

v — относительная скорость перемещения деталей;

μ — динамическая вязкость рабочей жидкости.

Рис.ZSK.30.2. Схемы уплотнений: а - щелевого; б, в – лабиринтного

При больших числах Рейнольдса, когда течение становится турбулентным, на одной или обеих поверхностях щели (рис. ZSK.30.2, б, в) выполняются лабиринтные канавки. За счёт изменения ширины канала возрастает гидравлическое сопротивление, что приводит к уменьшению утечек.

Основными минусами щелевого уплотнения являются сложность точного изготовления сопрягаемых деталей и риск полного перекрытия щели.

Контактные уплотнения реализуются с применением металлических и резиновых колец, а также набивок и манжет. Среди них металлические кольца считаются одним из самых надёжных и долговечных способов герметизации. В качестве материала для их изготовления используют серый чугун, бронзу, текстолит, графит или композиции на основе металлографитовой массы.

Соединения уплотнительных колец (см. рис. ZSK.30.3) различают по типу стыка: прямые — используются при давлениях до 5 МПа; косые — применяются при давлениях до 20 МПа; ступенчатые — предназначены для работы при давлениях свыше 20 Мпа.

В ступенчатом уплотнении (рис. ZSK.30.3, г) одна поверхность сопряжения выполняется плоской, а противоположная — выпуклой, что способствует увеличению удельного давления в стыке и повышению герметичности. Стандартная форма сечения уплотнительных колец — прямоугольная. Количество колец в сборке зависит от перепада давления и обычно колеблется от 2 до 9; при этом расстояние между ними почти не влияет на герметичность.

Рис.ZSK.30.3. Типы замков металлических колец, устанавливаемых в стык: а - прямой; б - косой; в, г – ступенчатый

Недостатки металлических колец для уплотнений:

• необходима высокая точность изготовления сопрягаемых поверхностей, поскольку кольца не способны компенсировать мелкие неровности, овальность, конусность и прочие дефекты;
• возникает дополнительное трение при работе;
• абсолютная герметичность не обеспечивается и определяется аналогично щелевым уплотнениям.

Резиновые кольца характеризуются простотой, компактностью и высокой надёжностью. Они применяются как в неподвижных соединениях при давлениях до 30 МПа, так и в подвижных — при давлениях до 20 МПа. Рабочий диапазон температур находится в пределах −50…+100 °C.

Герметичность достигается за счёт монтажного сжатия кольца и его плотного прилегания к уплотняемым поверхностям (см. рис. ZSK.30.4). В качестве материала, как правило, используется маслостойкая резина. Поперечное сечение кольца может быть:

• круглым — предпочтительный вариант;
• прямоугольным — допускается, но возможно скручивание или частичное вдавливание в зазор.

Такое уплотнение практически полностью предотвращает утечки. На рис. ZSK.30.4 показана схема кольца круглого сечения. Размеры кольца и канавки выбирают так, чтобы при монтажной установке (нулевое обжатие) сохранялся боковой зазор: (a − d) = 0,2…0,25 мм (рис. ZSK.30.4, а).

При монтажном сжатии кольцо сжимается на величину k = d − b (рис. ZSK.30.4, б), что обеспечивает герметичность при нулевом и малом давлении. С ростом давления рабочая жидкость дополнительно деформирует кольцо, прижимая его наружной стороной к канавке и сопрягаемым поверхностям, обеспечивая надёжное уплотнение (рис. ZSK.30.4, в).

Рис.ZSK.30.4. Схемы уплотнений резиновым кольцом круглого сечения

Набивочные уплотнения (рис. ZSK.30.5) находят широкое применение в гидроцилиндрах, прессах, насосах и отдельных узлах гидравлической аппаратуры.

Материалы для набивок делят на две группы:

• Мягкие: хлопчатобумажные, пеньковые, асбестовые, пропитанные коллоидным графитом, церезином, фторопластовой суспензией или смазочным жиром;
• Твёрдые: металлические и пластмассовые изделия.

Принцип действия набивочного уплотнения заключается в том, что при сжатии набивки 1 нажимной буксой 2 материал смещается в радиальном направлении. Это создаёт плотное прилегание набивки к стенкам камеры сальника с одной стороны и к подвижной детали (штоку или валу) — с другой.

Для компенсации износа набивочные сальники требуют периодической подтяжки. Сдавливание набивки может выполняться:

• с помощью болтов (рис. ZSK.30.5, а);
• с использованием пружины (рис. ZSK.30.5, б).

Рис.ZSK.30.5. Герметизация набивками и сдавливание набивки: а - болтами; б – пружиной

Набивочные сальники используются при относительно низких давлениях, не превышающих 5 МПа. Срок службы мягких набивок обычно достигает 800 часов.

Манжетные уплотнения рассчитаны на более высокие нагрузки — рабочее давление может достигать 50 МПа, а скорость перемещения уплотняемых деталей — до 20 м/с. Температурный диапазон эксплуатации манжет составляет от −50 до +100 °C.

Манжеты изготавливают шевронной или V-образной конфигурации. Герметизация достигается за счёт:

• деформации материала при установке;
• дополнительного прижима к уплотняемым поверхностям под действием давления рабочей жидкости (рис. ZSK.30.6).

Количество манжет в сборке сальника подбирается исходя из диаметра уплотняемой детали и величины рабочего давления.

Рис.ZSK.30.6. Схематическое изображение работы манжеты: а - манжета до установки; б - установленная манжета без воздействия давления рабочей жидкости; в - манжета под действием давления жидкости

Наиболее распространёнными в практике являются U-образные манжеты (рис. ZSK.30.7, а, в) и V-образные, или шевронные, уплотнения (рис. ZSK.30.7, г). Первые применяются при давлениях до 35 МПа, тогда как шевронные конструкции используются при давлениях 50 МПа и выше. Для сохранения геометрии в процессе установки манжету размещают в уплотнительном пакете между фигурными опорными кольцами 1 и распорными элементами (манжетодержателями) 2, выполненными из металла либо текстолита (рис. ZSK.30.7, б).

Рис.ZSK.30.7. Типовые формы манжет: а, в - U-образные; б - монтаж манжет; г – шевронные

Для уплотнения вращающихся валов применяются армированные манжеты (рис. ZSK.30.8), включающие металлический каркас 1, сам уплотнительный элемент 2 и спиральную пружину 3, которая дополнительно прижимает манжету к поверхности вала, гарантируя надёжную герметизацию.

Рис.ZSK.30.8. Манжеты для уплотнения вращающихся валов: а - с внешним каркасом; б - с внутренним каркасом; 1 - металлический каркас; 2 - манжета; 3 – пружина

При подборе типа и материала уплотнительных элементов следует принимать во внимание несколько факторов: рабочее давление гидросистемы, температурный диапазон эксплуатации, характер движения сопрягаемых деталей (поступательный или вращательный), их скорость, а также состав рабочей жидкости и её совместимость с материалом уплотнения.