Герметизация (уплотнение) соединений
Типы уплотнительных устройств
Герметичность стыка двух перемещающихся одна относительно другой или неподвижных жестких поверхностей деталей достигается созданием малого зазора s между стыкуемыми поверхностями этих деталей (бесконтактное уплотнение) (рис. 240, а) или устранением зазора между ними с помощью уплотнения из какого-либо мягкого эластичного материала (рис. 240, б).
В первом случае требуемая герметичность обеспечивается сопротивлением щели, по которой течет жидкость, без применения каких-либо уплотнителей. К подобным уплотнительным соединениям относятся плунжерные пары объемных машин. Эти соединения выполнены с гарантированным малым зазором, обеспечивая взаимное перемещение деталей и определенную степень герметичности без применения каких-либо уплотнительных материалов и средств.
Это уплотнение, получившее название щелевого, представляет собой гладкую капиллярную щель а (рис. 240, а), при соответствующей величине и длине которой может быть обеспечено приемлимое сопротивление протеканию жидкости. Гидравлическое сопротивление течению жидкости в этом случае создается в основном обеспечением малого зазора. К этому сопротивлению при высоких числах Рейнольдса (преимущественно в случае уплотнения газовой среды) добавляется дополнительное сопротивление лабиринта b с расширением и сжатием струи жидкости. Применение лабиринта повышает сопротивление щели.
Механизм герметизации в последнем случае заключается в многократном дросселировании рабочей среды, протекающей через щель b с резко меняющимися проходными сечениями, в которых создается сопротивление перетеканию вследствие потери энергии при расширениях и сжатиях потока.
Подобные бесконтактные уплотнения применяют в тех случаях, когда к соединениям не предъявляется требований обеспечения высокой герметичности.
Второй тип уплотнительного соединения, получившего название беззазорного (рис. 240, б), достигается с помощью уплотнительного элемента с из мягкого материала, помещаемого между уплотняемыми поверхностями e и d . Уплотнительный элемент с под действием внешней силы F или силы давления жидкости поджимается к поверхностям e и d , обеспечивая плотный контакт.
На рис. 240, в схематически показаны возможные каналы (не плотности) в узле уплотнения подвижного штока g, которые должны быть плотно перекрыты мягким уплотнительным элементом с. Очевидно, что наибольшую трудность представит перекрытие канала h, т. е. герметизация стыка подвижного соединения, ввиду чего точность и чистота обработки поверхностей, образующих этот канал, должны быть достаточно высокими. Герметизация (перекрытие) каналов f, образованных уплотнительным элементом си неподвижными поверхностями уплотнительного узла, обеспечивается значительно проще.
Процесс герметизации резиновыми деталями осуществляется за счет внедрения сжатой резины в неровности контактирующих с ней поверхностей; при этом происходит заполнение резиной микроканалов уплотняемой поверхности и перекрытие этих каналов. Очевидно, что при движении контактирующих с резиной поверхностей процесс перекрытий микроканалов, по которым происходит утечка герметизируемой среды, затрудняется и тем сильнее, чем выше при всех прочих равных условиях скорость движения. При движении уплотняемого движущегося штока резиновая деталь, находящаяся в сжатом состоянии, стремится принять изменяющуюся по ходу конфигурацию уплотняемой поверхности, сжимаясь на ее выступах и восстанавливаясь на впадинах.
Ниже рассмотрены основные типы уплотнительных устройств объемных гидромашин. Они разделяются в основном на уплотнения неподвижных привалочных поверхностей корпусов и уплот нения подвижных штоков и поршней гидроцилиндров и валиков гидромашии.
Уплотнение стыков (соединений) неподвижных узлов
Полная герметичность соединения может быть достигнута лишь в том случае, когда точки контакта поверхностей сопрягаемых пар образуют неразрывную (замкнутую) линию. Поскольку обеспечить подобный контакт путем взаимной приработки этих поверхностей затруднительно (практически невозможно), уплотнение зазора между сопрягаемыми деталями осуществляют при
Рис. 241. Схемы герметизации (уплотнений) неподвижных стыков
требованиях высокой герметичности лишь с помощью эластичных прокладок (рис. 240, б и в, см. также рис. 241, а и б), герметизацию же приработкой (рис. 240, а) применяют лишь для внутренних соединений, не требующих высокой герметичности.
В качестве уплотнительных прокладок применяют различные эластичные материалы, способные компенсировать неровности и другие производственные дефекты поверхностей деталей. Мягкие прокладки должны быть предохранены от выдавливания, для чего их помещают в канавки, образующие замкнутые полости (рис. 241, в — е). Если эти средства не предусмотрены (см. рис. 241, а и б), необходимо, чтобы сила трения прокладки о контактные поверхности была больше силы от давления жидкости на ее боковую поверхность, что в основном достигается выбором толщины s и ширины прокладки.
Уплотнительные прокладки с прямоугольным поперечным сечением, изготовленные из эластичного материала и размещаемые в канавках, рассчитываются на полное с некоторым избытком заполнение канавок (рис. 241, в); для этого поперечное сечение канавки должно быть на 30% меньше поперечного сечения уплотнительного кольца (прокладки).
Если требуется обеспечить точное взаимное расположение деталей соединения, а также разгрузить прокладку от усилий за тяжки, применяют соединение, показанное на рис. 241, г и д . Объем прокладки (кольца) в этом случае должен быть несколько меньше (на 10—15%) объема канавки, однако сечение ее в свободном состоянии должно быть таким, чтобы при сборке происходило сдавливание резины по высоте на 20—25%.
В последние годы начали повсеместно применять уплотнительные кольца (прокладки) круглого сечения. Конструктивные варианты уплотнительных устройств этого типа приведены на рис. 242, а — е.
Рис. 242. Герметизация неподвижных соединений с помощью резиновых колец круглого сечения
Резиновые кольца круглого сечения применяют для герметизации неподвижных соединений до давлений 150 МПа (1500 кгс/см2) и выше. Применение их устраняет необходимость сильной затяжки болтов соединений как при обычных прокладках.
Особые преимущества эти кольца имеют при использовании их в узлах с регулируемым положением деталей. К подобным узлам относится уплотнение регулировочного винта предохранительного клапана насоса (рис. 242, д). Изменение положения регулировочного винта 1 при его повороте не нарушает герметичности уплотнения 3. Стопорение винта 1 осуществляется контргайкой 2.
Герметизация штоков и поршней гидроцилиндров
Герметизация штоков гидроцилиндров осуществляется преимущественно с помощью резиновых колец круглого сечения, и реже, — с помощью манжет различных сечений. Поршни ци линдров уплотняются манжетами, а также металлическими раз резными кольцами.
Схема действия уплотнения разрезными поршневыми металлическими кольцами показана на рис. 243.
Рис. 243. Схема герметизации подвижных соединений с помощью упругих разрезных колец
Кольцо из положения, представленного на рис. 243, а, под действием давления жидкости устанавливается в одно из рабочих положений (рис. 243, б и в). Уплотняющий контакт кольца с поверхностью (зеркалом) цилиндра создается упругостью кольца, развивающейся в процессе обжатия его при монтаже, а также давлением жидкости на внутреннюю (нижнюю) поверхность (со стороны канавки) кольца, а в осевом направлении — давлением жидкости на боковую поверхность.
Эти уплотнения пригодны для работы при относительно высоких давлениях и в широком диапазоне температур. К недостаткам этих колец относятся более жесткие, чем для колец из эластичных материалов, допуски на изготовление сопрягаемых деталей, а также чувствительность к нарушениям качества и точности обработки.
В уплотнительном узле применяется одно или несколько колец (рис. 243, г и д) с расположением каждого из колец в своей канавке.
Опыты показывают, что при качественном изготовлении указанные кольца (2— 3 кольца в уплотнении) обеспечивают высокую герметичность при давлении 21 МПа (210 кгс/см2); в отдельных же случаях их успешно применяют при давлениях до 50—70 МПа (500—700 кгс/см2).
Если диаметр цилиндра равен внешнему диаметру поршневого кольца при его обжатии (при котором обрабатывалась внешняя поверхность кольца), такое кольцо обеспечивает достаточно равномерное радиальное давление по периферии и хорошую плотность контакта с поверхностью (зеркалом) цилиндра. Однако, если кольцо установлено в цилиндр, диаметр которого отличается от указанного номинала, равномерность распределения радиального давления нарушится и кольцо в некоторых точках может потерять контакт с поверхностью цилиндра. Это наблюдается также и при нарушении цилиндричности зеркала цилиндра.
Уплотнительные кольца изготовляют из материала, обладающего упругостью и антифрикционными свойствами (серого чугуна, бронзы, текстолита, графита и металлографитовой массы). Наиболее широко распространены кольца из серого чугуна; твердость этих колец после термической обработки составляет HBR 98— 106.
Применяют прямой (рис. 244, а), косой (рис. 244, б) и ступенчатый (рис. 244, в) стыки (замки).
Прямой стык применяют при средних давлениях (до 5 МПа или 50 кгс/см2), косой (угол 60°) при средних давлениях (от 5 до 15 МПа или от 50 до 150 кгс/см2) и ступенчатый — при более высоких давлениях. Благодаря тому, что в ступенчатом замке (рис. 244, в) стыкующиеся ступенчатые концы кольца перекрывают друг друга, уменьшается стыковой зазор) и соответственно повышается герметичность соединения. Часто одну из сопряженных поверхностей в замке выполняют плоской (параллельной торцовой поверхности), а вторую — выпуклой (рис. 244, г), благодаря чему повышается удельное давление в стыке кольца под нагрузкой, способствующее повышению герметичности.
Величина стыкового зазора f + f0 кольца (рис. 244,а) в свободном его состоянии и величина f, на которую этот зазор уменьшится при монтаже поршня с кольцом в цилиндре, определяют напряжение кольца в сжатом положении и при надевании его на поршень. Для практических расчетов можно пользоваться величиной выреза f = 3,4t, где t — радиальная толщина (высота) сечения кольца.
Кроме того, вырез должен быть таким, чтобы в смонтированном кольце в замке был сохранен зазор f0, необходимый в основном для компенсации неточностей изготовления цилиндра и искажений его диаметра по ходу поршня. Величину этого параметра выбирают f = 0.05 — 0.1 мм для цилиндров диаметром до 50 — 70 мм и f0 = 0,1 — 0,4 мм для цилиндров диаметром больше 250 мм.
При выборе ширины кольца b обычно пользуются практической зависимостью
Ь < (0,75-4-1) t.
Необходимо обеспечивать плоскостность торцовых поверхностей колец и канавок поршня и строгую их перпендикулярность к оси поршня (или другой детали, на которой выполнена канавка). Чистота обработки контактных поверхностей
канавки под металлическое кольцо должна соответствовать V 9 — 10.
Для обеспечения герметичности соединения усилия, развиваемые давлением жидкости на кольцо в радиальном и осевом направлениях, должны быть достаточно высокими, чтобы обеспечить перемещение кольца в канавке в рабочее его положение и создать требуемый контакт его с граничащими поверхностями. Поэтому эти усилия должны преодолевать силы трения, возникающие на всех поверхностях контакта. Очевидно, преобладание сил, действующих в радиальном направлении, может привести к столь плотному прилеганию кольца к зеркалу цилиндра, что стык торцовых поверхностей кольца со стенкой канавки не будет уплотнен. С другой стороны, значительное превышение осевых сил над радиальными и развивающиеся при этом большие силы трения по торцовым поверхностям могут препятствовать созданию плотного контакта между внешней поверхностью кольца и зеркалом цилиндра. Практика показывает, что усилия в осевом и радиальном направлениях должны быть примерно равны. V 9 — 10.
На рис. 245 показана эпюра сил давления жидкости, действующих на кольцо (упругостью кольца пренебрегаем). На поверхности h u b кольца действует полное рабочее давление жидкости (противодавление принимаем равным нулю), а на противоположные им поверхности — давление, понижающееся от рабочего давления р до нуля (зазором s пренебрегаем).
При параллельной щели (зазоре) падение давления в ней будет линейным. При этом среднее контактное давление может быть принято равным рср = р/2, в соответствии с чем усилие, действующее в осевом направлении на единицу длины окружности, может быть вычислено как
Fос = Pср*b
Соотношения между радиальным и осевым усилиями опреде ляются в основном размерами сечения поршневого кольца. Очевидно, для соблюдения при одних и тех же материалах деталей условия Fрад = Foc необходимо, что b = h.
Часто в общей канавке устанавливают два узких кольца с прямым замком (рис. 246, а) или одно над другим (рис. 246, б). Стыки (замки) колец смещаются один относительно другого, что практически равноценно с точки зрения обеспечения герметичности применению ступенчатого стыка (замка).
В уплотнительном соединении со слойным расположением колец (рис. 246, б) должна быть обеспечена строгая цилиндричность в рабочем (сжатом) положении наружного и внутреннего колец.
Манжетные уплотнители
Для герметизации подвижных соединений гидросистем в основном применяют уплотнения с эластичными (резинотканевыми, кожаными и пр.) герметизирующими элементами, прижатыми к уплотняемым поверхностям так, чтобы давление в зоне контакта превышало давление рабочей среды (жидкости). Наиболее распространенными уплотнениями такого типа являются различные манжеты, которые применяют для узлов прямолинейных и вращательных движений.
(Uобразные манжеты выполняют с закругленным (рис. 247, а) и плоским (рис. 247, б) основанием, причем манжеты первого типа изготовляют из резины, прорезиненных тканей и кожи, а второго— преимущественно из резины. Последнее обусловлено тем, что выполнение манжет с плоским основанием из кожи и прорезиненной ткани более сложно, чем с закругленным основанием. Преимуществом манжет с плоским основанием является то, что устраняется опасность разрыва нижней ее части под действием давления жидкости, что наблюдается в манжетах с круглым основанием, если не применить фасонное опорное 1 и распорное 2 кольца (рис. 247, а).
Рис. 247. Распространенные формы уплотнительных манжет
Манжетные кольца из прорезиненных тканей обладают большой прочностью и долговечностью (в 2—3 раза выше, чем манжет из кожи, резины или полихлорвинила), а также стойкостью в условиях работы при высоких давлениях (до 50 МПа или 500 кгс/см2) и температурах (до 100° С). Толщина материала для изготовления манжет составляет в зависимости от размера манжеты 2,5— 8 мм.
Манжеты 2 (рис. 248, а) монтируют на плотной посадке по плунжеру 1 (рис. 248, б) и по поверхности расточки канавки (проточки) 3. При этом упругость манжеты обеспечивает герметич ность соединения при нулевом и близком к нему давлениях жидкости. При наличии в системе давления р губки q манжеты под распорным действием этого давления плотно поджимаются к уплотняемым поверхностям (рис. 248, в).
Рис. 248. Схема действия манжетного уплотнительного кольца
Герметичность соединения ухудшается с повышением скорости движения штока, что обусловлено в основном расклинивающим действием затягиваемой в зазор жидкости, а также ухудшением восстанавливаемости формы поперечного сечения уплотнительного кольца, в результате чего ухудшается заполнение резиной микровпадин и компенсация неровностей на штоке.
С повышением давления восстанавливаемость формы кольца улучшается, в результате при высоком давлении утечки жидкости с повышением скорости скольжения растут медленнее, чем при низком давлении.
Для улучшения начального контакта манжеты с уплотняемыми поверхностями, а также для сохранения ею формы манжету при монтаже уплотнительного пакета помещают между фасонным опорным 1 и распорным 2 кольцами (манжетодержателями)
(см. рис. 247, а) из металла или текстолита.
Для улучшения плотности контакта применяют также манжеты, в которых пространство между уплотнительными губками
заполняется мягкой резиной (рис. 249)
Чистота обработки уплотняемой поверхности при применении U-образных манжет должна быть не менее V9.
Число манжет выбирают в зависимости от величины рабочего давления. Обычно рекомендуется применять от двух до трех и лишь в отдельных случаях до четырех манжет. Одна манжета рекомендуется для давления 3,5—4 МПа (35—40 кгс/см2). Манжеты изготовляют из резиновых смесей, кожи, пластмассовых материалов и их комбинаций с различными тканями, прорезиненных хлопчатобумажных материалов и пр. Наиболее широко применяют манжеты из резины и прорезиненных хлопчатобумажных тканей.
Получили распространение шевронные манжеты (см. рис. 247, в—д), применяемые главным образом для уплотнения деталей с возвратно-поступательным и, реже, с вращательным движением. Уплотнительный узел выполняют в виде колец, собираемых в пакет по нескольку штук (см. рис. 247, в и д).
Шевронные манжеты изготовляют из тех же материалов, что и U-образные. На рис. 247, г показано сечение манжеты из ре зины, а на рис. 247, д — из кожи. Для повышения стойкости резиновых манжет их с двух сторон армируют прорезиненной хлопчатобумажной тканью. Опор ные и распорные кольца шеврон ных манжет изготовляют с углами, превышающими на 50° угол губок манжет.
На рис. 251 показано уплотнение поршня гидроцилиндра шевронными манжетами. Затяжка регулируется соответствующим подбором шайб а (рис. 250, а) или пружинами (рис. 250, б). Применение пружин устраняет необходимость регулирования затяжки уплотнения: нажимную втулку в этом случае можно затягивать до соприкосновения торца зажимной буксы с корпусом.
Уплотнения резиновыми кольцами круглого сечения
Уплотнения резиновыми кольцами круглого сечения являются наиболее распространенными в гидроцилиндрах, как и в гидро механизмах вообще. Кольца в таких уплотнениях помещают в кру говые канавки (рис. 252, а), которые выполняют в зависимости от условий применения либо на штоке поршня (рис. 253, а), либо на поверхности буксы цилиндра (рис. 253, б).
Герметичность уплотнения при нулевом и малом давлениях жидкости обеспечивается упругостью резины, достигаемой пред варительным сжатием кольца при монтаже, под действием кото рого кольцо будет контактировать по полоске шириной I (см. рис. 252, б). Для этого канавка выполняется так, что кольцо при монтаже получает радиальное обжатие, равное 10—15% диаметра сечения кольца. При подводе давления жидкости по
Рис. 252. Герметизация с помощью резиновых колец круглого сечения
одну из сторон кольца оно смещается к боковой стенке канавки в направлении действия давления и, деформируясь под действием этого давления, создает плотный контакт по трем поверхностям (рис. 252, в).
Рис. 253. Схемы размещения канавок для уплотнительного кольца на штоке (а) и в буксе (б) и предохранение уплотнительных колец от выдавливания в зазор с помощью защитных колец (в—г)
Распространяя с некоторыми допущениями на резину закон Паскаля, можем считать, что плотность контакта резинового кольца с уплотняемыми поверхностями будет увеличиваться практически пропорционально повышению давления жидкости.
Для обеспечения при монтаже требуемого предварительного сжатия кольца диаметр d поперечного его сечения в свободном состоянии и глубину b канавки (см. рис. 252, а) выбирают такими, чтобы кольцо, помещенное в канавку между уплотняемыми поверхностями поршня и цилиндра, было обжато по поперечному сечению на величину k = d — b (см. рис. 252, б). В практике уплотнение оценивается по этому параметру коэффициентом предварительного (монтажного) сжатия сечения кольца в радиальном направлении:
w = (d — b)/d*100%
Указанным предварительным сжатием создается герметичность соединений до появления давления жидкости, под действием которого кольцо, деформируясь у внешней стороны канавки, создает плотный контакт с уплотняемыми поверхностями (см. рис. 2.52, в). В распространенных конструкциях величина диаметрального обжатия поперечного сечения обычно составляет примерно w = 10%.
Уплотнительная кольцевая прокладка деформируется под действием давления жидкости и при соответствующих условиях (при большом зазоре s и низкой твердости резины) может быть выдавлена в зазор уплотняемыми поверхностями (рис. 252, г). Выдавливание кольца в зазор является основной причиной его выхода из строя. Это обусловлено тем, что острый угол кромки канавки врезается в кольцо, разрушая его поверхность (рис. 252, д и е).
Для предохранения уплотнительных колец от выдавливания в зазор при давлениях более 10 МПа (100 кгс/см2) о одной или по обеим сторонам уплотнительного кольца устанавливают за щитные кольца (рис. 253, в и г). При установке защитных колец резиновые уплотнительные кольца можно применять при давле нии со 100 МПа (1000 кгс/см2) и выше. Однако защитные кольца (особенно кожаные) значительно повышают трение уплотнительного узла.
Защитные кольца изготовляют из эластичных материалов, обладающих достаточной жесткостью, чтобы противодействовать выдавливанию жидкости в зазор. Наиболее распространены кольца из кожи, твердой резины, фторопласта, текстолита и пр. Наилучшими свойствами обладают фторопластовые кольца, которые пригодны для температур от —60 до +150° С. Толщина колец из этого материала 1 мм при d < 100 мм и 1,5 мм при d >100 мм, где d — средний диаметр поперечного сечения кольца.
В гидросистемах машин в основном применяют прямоугольные канавки для колец (см. рис. 252, а), размеры которых должны быть такими, чтобы при наихудшем сочетании отклонений размеров сопрягаемых деталей кольцо имело монтажное сжатие. Глубина канавки, в которую помещают кольцо, вместе с зазором между уплотняемыми поверхностями должна быть меньше диаметра d поперечного сечения свободного кольца на величину k,
значение которой определяет величину предварительного сжатия кольца. Для распространенных колец подвижных соединений k
принимают до 10% диаметра поперечного сечения кольца, для уплотнений неподвижных соединений k может быть увеличен, если это допускается условиями монтажа, до 15—25%. Диаметры поперечного сечения колец обычно принимают d = З — 6 мм.
Ширина а канавки должна быть примерно на 20—25% больше диаметра d поперечного сечения кольца в свободном его состоя нии или равна ширине кольца в обжатом состоянии.
Так как наличие острых кромок канавки может привести при пульсирующем давлении к разрушению уплотнительного кольца вследствие подреза, то эти кромки не закругляют, а лишь приту пляют без применения режущего инструмента. Практически ра диусгг закругления внешних кромок канавки должен быть равен 0,02—0,03 мм; увеличение этого радиуса недопустимо, так как при этом увеличивается вероятность выдавливания материала кольца в зазор.
Уплотнение вращающихся валиков
Уплотнение вращающихся валиков объемных гидромашин осуществляется в основном двумя способами: по окружности вала (радиальное уплотнение) и по торцовым поверхностям (тор цовое или механическое уплотнение).
Уплотнение радиального типа. В объемных гидромашинах широко применяют (80—85% всех уплотнений этого назначения) уплотнения радиального (манжетного) типа. Эти манжеты в основном изготовляют из резины и резиноподобных материалов и, реже, из кожи.
Рис. 254. Схмы манжет для уплотнения вращающегося валика
Конструктивные схемы типовых манжет из резины представлены на рис. 254, а и б, а из кожи — на рис. 254, в.Уплотнения с резиновыми манжетами в основном отличаются друг от друга местом расположения металлического каркаса с, служащего для увеличения жесткости манжет. Каркас распола гается с внешней (рис. 254, а) и внутренней (рис. 254, б) сторон манжеты или заделывается внутрь тела манжеты.
Особенностью работы уплотнений вращательных соединений является то, что контакт уплотнительной манжеты с поверхностью вала происходит по постоянной небольшой поверхности шириной е, вследствие чего на этой поверхности и контактирующей с ней уплотняющей кромке манжеты развивается высокая температура, которая при окружных скоростях вала более 4 м/с может превышать температуру рабочей жидкости на 40—50° С и выше. После того, как температура кромки манжеты достигнет некоторого критического значения, уплотнение теряет герметичность вследствие затвердения резины.
Температура в контакте манжеты с валом зависит также от давления рабочей среды, повышаясь с увеличением последнего. Это обусловлено тем, что давление р нагружает кромки манжеты, прижимая их к поверхности вала. Поэтому уплотнительные манжеты применяют при давлениях жидкости перед уплотнением обычно не выше со0,2 МПа (2 кгс/см2).
Рис. 255. Схемы двухступенчатых уплотнений внешних валиков
Поскольку все эластичные материалы, применяемые в уплотнительных соединениях, обладают свойством релаксации напряжений под действием продолжительной нагрузки, для обеспечения надежного контакта кольца с валом манжету дополнительно прижимают спиральной (браслетной) пружиной b (см. рис. 254, а и б).
Двухступенчатые уплотнения
Для снижения давления перед манжетой и, соответственно, для повышения надежности герме тизации внешних валиков гидромашин часто применяют двухступенчатые уплотнения, которые состоят из двух последовательно установленных герметизирующих элементов а и b (рис. 255, а).Герметизирующий элемент а первой ступени, обычно представляющий собой плотно посаженную на шток антифрикционную металлическую втулку, лишь снижает давление перед вторым герметизирующим элементом Ь, граничащим с внешней средой, не обеспечивая при этом полной герметичности. Камера с между этими ступенями уплотнения сообщается (обычно через обратный клапан) со сливной линией гидросистемы, благодаря чему внешний герметизирующий элемент b находится под действием лишь малого давления, примерно равного давлению в сливной линии.
Сказанное в равной мере относится и к уплотнениям внешних штоков гидроцилиндров (рис. 255, б), к внешней герметичности которых часто предъявляются очень высокие требования. В качестве первой ступени уплотнения в последних схемах применяют как металлические втулки, так и иные герметизирующие устройства.
Для повышения герметичности внешних валиков вращатель ных соединений часто применяют дополнительные динамические (винтовые, лопаточные и пр.) устройства, которые обычно исполь зуются в качестве первой ступени уплотнения. В практике рас пространены винтовые устройства (рис. 255, в). Это уплотнение выполняется в виде многозаходного винта, нарезанного на валу насоса и устанавливаемого перед второй ступенью — резиновой манжетой. Направление нарезки выбирается таким, чтобы при данном направлении вращения вала жидкость возвращалась бы (отбрасывалась) фрикционным действием в уплотняемую по лость.
Принцип действия динамического винтового уплотнения основан на использовании сил трения (фрикционного действия) жидкости, заполняющей винтовую канавку вращающегося винта, о неподвижную втулку, в результате чего создается напор, действующий вдоль оси винта. В зависимости от направления вращения и направления нарезки винта (вала) этот напор будет либо противодействовать напору, обусловленному перепадом давления на концах винтовых канавок, либо суммироваться с ним. В пер вом случае при вращении винта возникают силы, которые будут отбрасывать жидкость, заполняющую канавку, в уплотняемую камеру. При этом нагнетательный эффект такого устройства мо жет превысить утечки жидкости через винтовую канавку и радиальную щель между винтом и втулкой, обусловленные пере- падом давления. Следовательно, перетечки жидкости из уплотняемой полости насоса в предманжетную камеру с при этом полностью прекратятся.
Поскольку действие этого устройства основано на гидродина мическом трении жидкости, уплотняющие устройства этого типа эффективны лишь при достаточно высокой окружной скорости (порядка 1 м/с).
Ввиду сложности гидродинамических явлений, которые воз никают при работе такого динамического дросселя, дочный расчет потока жидкости через канавку вращающего винта затруднителен, поэтому ограничиваются приближенным расчетом с последующей проверкой. При этом допускают, что поскольку радиальные за зоры между поверхностями втулки и винта небольшие, перетечками через них жидкости можно пренебречь.
Надежность действия подобного винтоканавочного уплотни тельного устройства зависит от глубины и ширины канавки, числа канавок и шага резьбы.
Так, например, уменьшение длины винтовой канавки на 20% привело к увеличению потока жидкости (при п = = 500 об/мин) в 3 раза.
На эффективность действия уплотнительного устройства влияет форма и размеры канавки. В практике обычно применяют канавки прямоугольного сечения при соотношении глубины b и ширины а,
При уменьшении относительной глубины канавки повышается влияние подвижной стенки на поле скоростей по глубине канавки и соответственно повышается фрикционный эффект.
Опыт показал, что для распространенных размеров рассматриваемых уплотнительных устройств они обеспечивают напор, обусловленный фрикционным эффектом при частоте вращения >=1000 об/мин, равный 2 кгс/см2. Следовательно, когда давление в сливном маслопроводе ниже 2 кгс/см2, обеспечивается нулевое давление в камере с (рис. 255). При частоте же вращения порядка 3000—4000 об/мин напор, развиваемый рассматриваемым винтовым устройством, может быть 20 кгс/см2 и выше.
При снижении перепада давления соответственно понизятся и минимальные скорости.
Применение этих динамических устройств имеет особые пре имущества в случае жестких требований в части полного устране ния внешних утечек жидкости.
Окружная скорость и температура на поверхности тела.Наибо лее важными факторами, влияющими на работу рассматриваемого уплотнения и определяющими его долговечность, являются окружная скорость и связанная с ней температура, развиваю щаяся на поверхности трения. Например, уплотнения из резины обеспечивают при температуре 50—70° С не сколько тысяч часов работы, тогда как при тем пературе 120° С срок их службы ограничивается несколькими десятками часов.
Кожаные манжеты можно применять для окружных скоростей вала до 10 м/с и темпера туры на поверхности трения до 110° С. Уплотне ния из синтетических резин можно применять при окружных скоростях на поверхности трения до 20 м/с, а в отдельных случаях и до 25 м/с. В за висимости от сорта резины они могут быть при годны для работы при температуре на поверхно сти трения 150° С и выше.
Качество обработки рабочих поверхностей. Повышение чистоты обработки валика уменьшает износ уплотнительной манжеты. При увеличении средней высоты неровностей обработанной поверхности потери на трение возрастают, причем тем интенсивнее, чем выше рабочее давление. Испытания показали, что с увеличением шероховатости (неровностей) поверхности валика с 0,1 до 2 мкм коэффициент трения уплотнительной манжеты увеличивается на 30%. Для надежной работы манжетных уплотнений рабочая поверхность шейки валика, контактирующая с манжетой, должна иметь чистоту обработки не ниже V 9—10.
При радиальном биении уплотняемого вала герметичность уплотнения неизбежно нарушается. Это обусловлено тем, что для сохранения плотности контакта манжеты с валом необходимо обеспечить непрерывное сопряжение кромки манжеты с поверхностью вала при его вращении. Из схемы, показанной на рис. 256, видно, что при эксцентричном расположении оси вращения вала относительно геометрической его оси вал совершает круговраща тельное движение с амплитудой, равной эксцентриситету е. При этом точки соприкосновения кромки манжеты с поверхностью вала совершают в результате эксцентричности его оси вращения движения по овальной траектории. Если кромка манжеты не успевает в результате действия сил инерции и трения, а также недостаточной упругости уплотнительного элемента, следовать
за поверхностью вала, то между ней и валом образуется зазор s, положение которого будет меняться за каждый оборот вала на 360°. Возможность образования такого зазора и его величина определяются эксцентриситетом е и угловой скоростью вала со.
Уплотнения торцового типа
Виды уплотнений. При повышенных требованиях к уплотне ниям валиков гидромашин в части пригодности их для работы при высоких давлении и частоте вращения вала в сочетании с вы сокими температурами применяют уплотнения торцового типа (рис. 257, а), в которых движущаяся уплотняющая поверхность контактирует с внешней поверхностью вала в плоскости, перпендикулярной к оси вала.
Рис. 257. Схемы элементов торцового уплотнения
Эти уплотнения отличаются простотой — их уплотняющие поверхности имеют самую простую геометрическую форму — плоскость. Уплотнения обеспечивают при качественном изготовлении высокую, практически полную герметичность и долговечны, а также обладают относительно малыми потерями мощности на трение (0,1—0,5 потерь мощности в манжетных уплотнениях). Уплотнения торцового типа можно применять при окружных скоростях уплотняемого узла до 60 м/с (соответствует 15000 об/мин) и давлениях среды до 40 МПа (400 кгс/см2).
На рис. 257, а показана схема типового торцового уплотнения, которое состоит из нагруженного пружиной 1 уплотнительного кольца 2, изготовленного из мягкого антифрикционного мате риала, и контактирующего с ним по торцу металлического опорного кольца (буксы) 4 высокой твердости. Уплотнительное кольцо крепится либо к вращающемуся валу, либо соединяется с неподвижным корпусом, а опорное кольцо в первом случае крепится в корпусе и во втором — на вращающемся валу. При этом одно из колец должно иметь свободу перемещения вдоль оси, благодаря чему оно с помощью пружины 1 может быть прижато к парному кольцу. Пружина создает предварительное контактное давление на поверхностях колец, достаточное для предотвращения утечек жидкости при нулевом или близком к нему давлении рабочей среды. По мере увеличения давления к усилию пружины 1 добавляется усилие неуравновешенного давления жидкости в камере со стороны пружины, вследствие чего контактное давление (удель ная нагрузка) скользящей пары будет повышаться пропорционально увеличению этого давления. Уплотнение подвижного элемента (кольца 2) по поверхности осевого скольжения осуществляется с помощью круглого резинового кольца 3 (рис. 257, а) или иных уплотнительных колец и манжет, а также сильфонов (мембран) (рис. 257, 6 и в).
Хорошие свойства имеют уплотнения с клиновидным уплот няющим элементом 8 из фторопласта (рис. 257, г), нагруженным пружинами 9, усилием которых обеспечивается требуемая плот ность контакта между этим элементом и валом, а также между конусной поверхностью элемента и торцовым уплотнительным кольцом 7. Для герметизации крышки этого уплотнения приме няют кольца (сальники) 5. В промежуточную камеру 6 подводится жидкость, которая служит разобщающим затвором, а также охлаждает трущийся узел. При работе со средой с плохими смазывающими свойствами в камеру 6 подводится смазка.
При. высоких температурах и давлениях рабочей среды до 0,7— 1,0 МПа (7— 10 кгс/см2) применяют уплотнения с металлическими сильфонами (рис. 257, б и в), а при давлениях до 0,1 МПа (1 кгс/см2) — уплотнения с фторопластовыми и резиновыми сильфонами.
Контактное давление уплотнительных колец. С целью снижения контактного давления площадь /, на которую действует давление жидкости, прижимающее подвижное кольцо к неподвижному, принимается меньше площади F, на которой происходит
контакт скользящей пары. Правильным подбором отношения k = f/F
которое называется коэффициентом уравновешивания уплотнения (обратная ему величина l/k = F/f называется степенью разгрузки) можно иметь контактное давление колец значительно ниже давления рабочей среды.
Надежность работы этих уплотняющих устройств в первую очередь зависит от правильного соотношения величин контактной поверхности колец F и поверхности /, на которую действует давление жидкости, нагружающее подвижный элемент (кольцо) 2 уплотнения (рис. 257 ), а также частично от усилия пружины 1,создающей первоначальное нагружение этого элемента.
Допуская, что непосредственный контакт поверхностей скользящей пары отсутствует и течение жидкости в зазоре подчиняется гидродинамическому закону, условие равновесия осевых сил, приложенных к подвижному в осевом направлении элементу 2, можно выразить уравнением
Точность изготовления и чистота обработки деталей уплотнительного узла. Надежность и герметичность торцовых уплотнений зависит от точности изготовления и качества скользящих поверхностей колец. Наиболее важное значение имеет соблюдение перпендикулярности герметизирующей плоскости вращающегося кольца к оси вращения вала. Величина допустимого торцового биения кольца зависит от его скорости. Последнее обусловлено тем, что если при малой скорости подвижное в осевом направлении кольцо может частично компенсировать неизбежные нарушения перпендикулярности поверхностей контакта к оси вращения,, то при большой скорости эта компенсация станет в силу действия сил инерции невозможной. В результате кольца потеряют плотность контакта вследствие образовавшегося клиновидного зазора, т. е. при некотором значении торцового биения ориентирующееся кольцо будет как бы «подпрыгивать», сохраняя контакт с опорным кольцом не по всей поверхности, а лишь в одной точке.
Опыты показывают, что наиболее рациональной является обработка рабочих поверхностей уплотнительных колец, которая соответствует чистоте поверхности V10.
Качество уплотнений зависит в значительной мере от правильного выбора материала контактирующих колец. В общем случае для деталей торцового уплотнения можно использовать материалы, применяемые в подшипниках скольжения. Широко применяется пара из бронзового или чугунного уплотнительного кольца со стальным цементованным опорным кольцом (буксой).
Источник: Башта, Т. М. Объемные насосы и гидравлические двигатели гидросистем
ВСЕГДА С ВАМИ РТИ 100! Производитель РТИ на заказ, по техническому заданию от проектирования до исследований и разработок, от производства до тестирования. Для получения дополнительной информации, пожалуйста, свяжитесь напрямую с компанией РТИ 100. Электронная почта: tdpoligran@mail.ru