Уплотнение - важнейший компонент гидравлической конструкции
Уплотнительные устройства являются одним из основных элементов, от которого зависит производительность и надежность гидравлических и пневматических узлов и механизмов. В то же время уплотнения являются самым слабым звеном гидравлических систем, при выходе из строя которого гидравлический агрегат становится неработоспособным. От совершенствования качества и свойств уплотнительных элементов напрямую зависят как темпы, так и направления развития гидравлических и пневматических машин и механизмов.
Надо отметить, что в дореволюционной России мало уделялось внимания гидравлике как науке, почти полностью отсутствовали печатные издания, освещающие эту дисциплину. Однако в 1920-х гг. в связи с принятыми СССР планами индустриализации появилась отечественная литература, посвященная разносторонним аспектам технической гидромеханики. Журналы, монографии, руководства по проектированию, труды институтов издавались значительными тиражами. В тот период отечественная гидравлика выдвинулась на одно из первых мест в мире.
Развитие техники диктовало необходимость создания новых конструкций уплотнений. Например, именно появление поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) во второй половине XIX в. стало предпосылкой создания поршневых колец.
Долгое время разработка уплотнений была основана лишь на опыте и интуиции конструкторов. В 1950-х, когда уплотнения новых видов стали внедрять во все области машиностроения, активно приступили и к разработке основ проектирования и стандартизации уплотнений.
Сегодня все уплотнительные устройства, применяемые в автомобилестроении, делятся, во-первых, на уплотнения штоков и поршней, участвующих в возвратно-поступательном движении (к ним же относятся грязесъемные кольца и направляющие пояса). Во-вторых, выделяют уплотнения валов, совершающих вращательное движение, а также отдельной категорией являются уплотнения неподвижных соединений.
В связи с тем, что основная задача уплотнений - предотвратить или уменьшить утечки жидкости или газа в соединениях деталей машин, уплотнения подразделяются на контактные и бесконтактные, они же щелевые. Последние применяют в основном в гидравлической аппаратуре управления и распределения, где необходима высокая чувствительность рабочих элементов к внешней нагрузке.
К подвижным контактным уплотнениям относятся кольцевые уплотнения, манжеты, а также некоторые другие виды специальных уплотнений. Такие уплотнения выполняют в гидравлических устройствах функцию разделения полостей высокого и низкого давления, предотвращают внутренние протечки рабочей жидкости. Выполнение уплотнениями своих функций повышает к.п.д. машины, уменьшает нагрев рабочей жидкости в процессе работы, поддерживает на постоянном уровне скорость работы исполнительных органов машины.
Резиновые кольца являются самыми универсальными уплотнениями, применяемыми во всех областях машиностроения с 1940-х гг. Одно из общих требований, предъявляемых к уплотнениям, - это компактность. Кольцевые уплотнения малогабаритные, однако обеспечивают приемлемую степень надежности и долговечности и в то же время характеризуются малыми потерями на трение. Сегодня применяются кольца разных профилей - круглого, овального, прямоугольного, Х-образного, пилообразного.
В самых первых моделях строительных машин рабочее давление не превышало 5:6 МПа, и с задачей уплотнения резиновые кольца круглого или прямоугольного сечения вполне справлялись. Но в связи с тенденцией ко все большей миниатюризации гидроаппаратов при сохранении высокой производительности, а также стремясь максимально снизить их массу, для прокачки требуемых объемов рабочей среды давление необходимо было повышать, и постепенно в новых конструкциях оно достигло 32 МПа и более.
Кольцевые уплотнения, изготовленные в соответствии с ГОСТ 9833-73, рассчитаны на надежную работу в гидросистемах при давлении до 32 МПа, в неподвижных соединениях - до 50 МПа. При более высоком давлении рабочей жидкости в системе рекомендуется использование резиновых манжет. Манжеты обеспечивают меньшую утечку жидкости при работе, чем кольца, и бо"льшую долговечность, однако их конструкция сложнее, размеры больше, силы трения выше, а значит, выше и потери энергии при движении.
Существует несколько основных типов манжет. В узлах, спроектированных до 1971 г., используются так называемые воротниковые манжеты (ГОСТ 6969-54). Сегодня чаще в конструкциях применяют уплотнительные резиновые манжеты V-образного сечения, соответствующие ГОСТ 14896-84, которые обеспечивают уплотнение зазора между цилиндром и поршнем при давлении от 0,1 до 50 МПа. Шевронные манжеты (ГОСТ 2204-77) используют при давлении гидрожидкости до 63 МПа при температуре от -50 до +120 °C. Эти манжеты устанавливают в комплекте с металлическими опорными и нажимными кольцами.
При невысоких давлениях целесообразно применение резиновых манжет, армированных металлическими пружинами. Такие манжеты еще называют сальниками, их параметры соответствуют ГОСТ 8752-79. Они служат для уплотнения валов, работающих в минеральном масле, воде, дизельном топливе при избыточном давлении до 0,05 МПа и скорости вращения до 20 м/с.
Гидравлические уплотнения устанавливают в канавки, регламентированные соответствующими стандартами, которые протачивают или фрезеруют на поверхностях сопрягаемых частей узла. Это могут быть плоскости, и тогда устанавливают торцовые уплотнения. Радиальные уплотнения применяют при сопряжении цилиндрических тел вращения. При укладке резинового уплотнения в канавку оно деформируется, так как глубина канавки меньше радиуса поперечного сечения уплотнения. В процессе работы гидравлического устройства действующее давление стремится выдавить уплотнение в зазор между сопрягаемыми элементами.
Существенным недостатком резиновых уплотнений является свойство резины прилипать к сопряженным металлическим поверхностям в состоянии покоя, особенно если поверхность имеет высокую чистоту обработки.
Таким образом, в новых гидроагрегатах возникла необходимость в применении новых полимерных материалов - фторопласт, полиуретан, полиэфир. Модули упругости этих материалов в несколько раз выше, чем у резины, а коэффициент трения по стали в несколько раз ниже.
Коэффициент трения - очень важный показатель.
Если коэффициент небольшой, снижаются потери энергии на механическое трение, повышается к.п.д. гидроаппарата. Увеличивается срок службы самого уплотнения, особенно это проявляется в механизмах с высокой скоростью перемещения уплотняемых деталей, таких как гидромолоты, виброплиты и т. п.
При высокой скорости скольжения уплотнений, нагруженных высоким давлением, их рабочие поверхности испытывают порой критические температурные нагрузки. Чтобы обеспечить необходимую теплопроводность, применяют уплотнения на основе фторопласта с различными теплостойкими наполнителями. Такие уплотнители называются композитными. Их материал представляет собой композицию из нескольких компонентов, свойства каждого из которых используются в работе данного уплотнения. Композитными являются резинофторопластмассовые, резинотканевые и другие уплотнения. В настоящее время существует более двухсот видов наполнителей для полимеров, и с расширением области применения полимеров их число растет.
В комбинированных уплотнениях резиновые кольца служат специальным элементом-эспандером, усиливающим прилегание пластмассового элемента к уплотняемой поверхности. В качестве материала пластмассовых уплотнений используют в основном фторопласты (ПТФЭ). Эти материалы обеспечивают небольшие потери энергии на преодоление трения, имеют высокую стойкость к агрессивным средам и температурам. Такие конструкции успешно работают при давлении до 35 МПа.
В настоящее время в высоконагруженных узлах успешно применяются комбинированные уплотнения с очень низким коэффициентом трения, в которых изготовленная из полимерного материала манжета выступающей частью определенной формы прижимается к штоку. Усилие прижатия обеспечивается действием установленного сверху манжеты резинового кольца круглого сечения. Такие уплотнения производят практически все ведущие зарубежные компании - Merkel, Simrit, Parker, Hansa Flex и др. В нашей стране освоили выпуск подобных манжет предприятия RGC и "Элконт".
Благодаря свойству резины образовывать прочные связи с некоторыми металлами как в результате вулканизации, так и путем приклеивания появился специальный широко применяемый вид резинометаллических уплотнений.
Контактные уплотнители массово производят на заводах РТИ преимущественно методом вулканизации в пресс-формах. Так называемым формовым уплотнениям можно задавать сложный профиль сечения, обеспечивающий герметичность и необходимое усилие трения. Сегодня технологические процессы производства отработаны, а большие объемыобеспечивают низкую себестоимость изделий.
Уплотнения неподвижных соединений отделяют внутреннюю часть гидравлического устройства от атмосферы. Они предотвращают наружные утечки, при этом сохраняя объем рабочей жидкости, и защищают тем самым окружающую среду, одновременно выполняя необходимые технологические требования. В стационарных соединениях применяют контактные уплотнения - прокладки разнообразной конфигурации из различных материалов, широко используют различные герметики, уплотнительные шайбы и неформовые уплотнения.
Класс неформовых уплотнений - это шнуры, жгуты разной длины, диаметра и поперечного сечения. Их изготавливают методом экструзии резинотехнической смеси до образования полуфабриката с его дальнейшей вулканизацией. Такие уплотнения применяют в стыковых, неподвижных соединениях в самых разных видах техники.
Существуют также дифференциальные, набивочные, камерные, войлочные и некоторые другие виды уплотнений, разработанные для определенных технологических целей и в автомобилестроении практически не применяющиеся.
Особенно широко сальники используются в трубопроводной арматуре для уплотнения подвижных деталей арматуры: уплотнительный элемент с принудительным напряжением, необходимым для обеспечения герметичности. Сальники могут использоваться и для уплотнения неподвижных частей оборудования, например в трубных и кабельных проходках. Они характеризуются простотой конструкции. На внешней стороне крышки или корпуса механизма в том месте, где через них проходит шток (или вал), создается сальниковая камера (или коробка), в которую закладывается уплотнительный материал- сальниковая набивка. С помощью специальных устройств набивку поджимают так, что в ней создаются усилия, под действием которых она прижимается к стенке сальниковой камеры и к цилиндрической поверхности штока. В механизмах малого диаметра поджатие набивки производится накидной гайкой, большого диаметра - специальной деталью: крышкой сальника, которая крепится болтами с гайками. В некоторых случаях для снижения трения применяют сальники со смазкой, которая подается извне через специальную масленку. Современная сальниковая набивка обычно представляет собой шнур или кольца из асбеста с графитовой пропиткой. Также используются безасбестовые уплотнительные материалы из фторопласта или на основе графита. Применяют и другие материалы, что определяется конкретными условиями эксплуатации.
Справка:
Манжета (от франц. manchette - рукавчик) - уплотнительная деталь подвижной круглой в сечении детали машины. Манжета обычно имеет вид кольца из резины или полимера с рабочей кромкой, возможно пыльником и круглой пружиной, которая поджимает рабочую кромку к валу. Манжеты препятствуют проникновению жидкостей и газов из области высокого давления в область низкого давления.
Сальниковое устройство, или сальниковое уплотнение, - один из видов уплотнительных устройств подвижных соединений. Названия "сальниковая набивка", "сальник", "сальниковый узел" и др. сохранились с тех времен, когда для уплотнения в этих устройствах использовалась пропитанная жиром пенька или войлок.
Фото: RGC
Основные средства
