Xi герметизация (уплотнение) соединений элементов гидросистем


Влияние радиального зазора



страница4/8
Дата09.08.2019
Размер1.08 Mb.
ТипГлава
1   2   3   4   5   6   7   8

Влияние радиального зазора. Опыт показывает, что материал кольца подвержен под давлением жидкости деформации и при из­вестных соотношениях размера зазора между уплотняемыми поверхностями и твердостью резины будет выдавливаться в зазор (рис. 370, б), и кольцо разрушается. Если зазор будет достаточно велик, а кольцо изготовлено из мягкой резины, то весь материал может продавиться через зазор.

Выдавливанию кольца в зазор способствует закругление внеш­них кромок канавки, в которую помещается кольцо, влияние его аналогично увеличению зазора.

При определении величины зазора необходимо учитывать возможность отжатия поршня (штока) к одной стороне, в резуль­тате чего зазор с этой стороны будет увеличен. При высоких дав­лениях жидкости следует также учитывать деформации цилиндра (растяжение) и поршня (сжатие), которые при некоторых условиях могут значительно увеличить зазор.

Для уменьшения возможности выдавливания кольца в зазор кольцо часто скашивается со стороны, противоположной рабочему давлению, на угол (рис. 370, г) или на кольце выполняется фаска (рис. 370, в).

Для устранения возможности выдавливания кольца в зазор уменьшают радиальный зазор, а также увеличивают твердость резины. Поскольку последнее приводит к снижению ее эластич­ности и к потере упругости кольца, в особенности при низких температурах, применяют два кольца а, расположенные одно над другим (рис. 371, а). Внутреннее кольцо изготовляют из мягкой резины (60 - 70 единиц по Шору), сохраняющей упругую эластич­ность при низких температурах, и внешнее — из более твердой резины (80 - 90 единиц по Шору), способной противостоять давле­нию жидкости, стремящемуся выдавить кольцо в зазор. Жесткость внешнего кольца должна быть максимальной, однако такой, чтобы была сохранена возможность монтажа его в канавку на поршне. Подобное уплотнение пригодно для работы с давлением до 300 и выше.

Рис. 371. Схемы уплотнений резиновыми прямоугольными кольцами


Распространены также схемы, с защитными кольцами (проставками) , расположенными с одной (см. рис. 371, б) или с обеих сторон уплотнительного резинового кольца с, которые изготов­ляются из твердой резины (твердость по Шору до 95), кожи (толщина 2 - 3 ), фторопласта и пр. Опыт показывает, что уплот­нения с помощью резинового кольца (твердость по Шору 60) и защитных колец из твердой резины (твердость по Шору 95) на­дежно работают при давлениях 350 - 400 . Защитные кольца помещают в канавку с натяжением (0,1—0,15 ) как по внешней (по цилиндру), так и «по внутренней поверхности.

При применении защитных колец сила трения увеличивается по сравнению с уплотнением без них примерно в 3 раза. В уплотнительном узле, показанном на рис. 371, б, применено дренажное отверстие, по которому отводятся в резервуар утечки жидкости, благодаря чему уменьшается трение и повышается срок службы уплотнения.

Поскольку износ мягких уплотнительных колец с боковыми защитными проставками небольшой, можно уменьшить их ширину до 1,5 - 2 , что значительно снижает трение.

Нарушение герметичности уплотнения с помощью прямоуголь­ного кольца происходит часто в результате выворачивания (за­кручивания) части его в канавке при высоких давлениях и скоро­сти перемещения. Подобное закручивание кольца возникает в ре­зультате возможного неравномерного распределения по окруж­ности поршня трения кольца по уплотняемой поверхности. Для уменьшения закручивания размер кольца должен быть развит в ширину или в глубину.

Уплотнения из твердой резины показаны на рис. 371, в. Для повышения плотности контакта резинового кольца с уплотняемой поверхностью в канавку под кольцо подведено давление рабочей жидкости. В этом случае представляется возможным применить кольца из резины высокой твердости ( единиц по Шору) или фторопласта, при которой отпадает надобность в защитных кольцах. Кольцо в этом случае помещается в канавку без бокового зазора, однако между дном канавки и кольцом предусматривается небольшой радиальный зазор, способный компенсировать набуха­ние резины. Поджатие внутренних колец осуществляется дав­лением утечек жидкости через внешние кольца.
УПЛОТНЕНИЯ РЕЗИНОВЫМИ КОЛЬЦАМИ КРУГЛОГО СЕЧЕНИЯ

Принцип действия резиновых колец круглого сечения (рис. 372) аналогичен кольцам прямоугольного сечения. Эти кольца надежно и длительно работают при давлениях до 350 ; при предохра­нении колец от выдавливания в зазор это уплотнение применяется при давлениях 1000 , а иногда до 5000 .

Предварительное натяжение (сжатие) этих колец может быть выполнено более высоким, чем колец прямоугольного сечения при сохранении той же силы трения. Поскольку материал круглого кольца приходит к кромкам канавки в напряженном состоянии, выдавливание его в зазор значительно меньше и наступает при более высоком давлении, чем прямоугольного. Кроме того, кольца круглого сечения допускают большую, чем прямоугольные, неточ­ность в изготовлении уплотняемых поверхностей.

Кольца круглого сечения применяются как в неподвижных так и подвижных соединениях. Для размещения колец в основном при­меняются прямоугольные (рис. 372, а) и угловые (рис. 372, г) канавки. Уплотнения с последними канавками отличаются высо­кими герметизирующими качествами, но обладают относительно большим трением, ввиду чего их применяют преимущественно в неподвижных соединениях.

Поскольку резина практически несжимаема, объем канавки должен быть больше объема кольца на величину возможного уве­личения последнего в эксплуатации. Практически канавки под них обычно конструируются с расчетом на возможное набухание колец в рабочей жидкости в пределах 15%.

Размеры кольца канавки выбирают такими, чтобы при монтаже кольца в канавке (при нулевом обжатии) был сохранен боковой зазор (рис. 372, а), равный .

Канавки выполняют в зависимости от условий применения либо на поршне (рис. 373, а), либо на поверхности цилиндра (буксы) (рис, 373, б).

Для обеспечения при монтаже требуемого предварительного сжатия кольца диаметр поперечного его сечения в свободном состоянии и глубину канавки (см. рис. 372, а) выбирают такими, чтобы кольцо, помещенное в канавку между уплотняемыми поверхностями поршня и цилиндра, было обжато по поперечному сечению на величину (см. рис. 372, б). В практике уплотнение оценивается по этому параметру коэффициентом предварительного (монтажного) сжатия сечения кольца в радиальном направлении:



. (493)

Рис. 372. Схемы действия уплотнения резиновыми кольцами круглого сечения и формы канавок


Указанным предваритель­ным сжатием создается гер­метичность соединения до по­явления давления жидкости, под действием которого коль­цо, деформируясь у внешней стороны канавки, создает плотный контакт с уплотняе­мыми поверхностями, причем при известных условиях кольцо может быть выдавлено в зазор (см. рис. 372, в). Это сжатие колец в канавке в общем случае выбирается для подвиж­ных соединений равным . В распространенных кон­струкциях величина диаметрального обжатия поперечного сече­ния обычно составляет примерно .

Рис. 373. Схемы размещения канавок под уплотнительное кольцо


При повышении обжатия герметичность и трение, в особенно­сти при нулевом давлении повышаются (рис. 374, а). Снижение же этого обжатия ниже некоторого значения приводит, как пра­вило к ухудшению герметичности.

Минимальное предварительное обжатие, обеспечивающее гер­метичность уплотнения, должно быть таким, чтобы была обеспе­чена минимальная ширина контакта. Эту ширину поверхности контакта круглого уплотнительного кольца можно рассчитать, если предварительная его деформация не превышает 15—20% его сечения в свободном состоянии, по формуле



,

где - диаметр поперечного сечения кольца (рис. 372, а);



- степень сжатия (предварительной деформации) сечения кольца;

- высота сечения кольца после сжатия (глубина канавки с учетом радиального зазора).

Рис. 374. Кривые силы трения круглого кольца в зависимости от поперечного сжатия (а) и кривые сжатия кольца в зависимости от его диаметра (б):

кривая 1 – наименьшее сжатие; кривая 2 – наибольшее сжатие
Основным критерием герметичности является величина кон­тактного давления (напряжения) уплотнительного кольца, кото­рое должно быть больше давления жидкости.

Установлено, что среднее контактное давление уплотнитель­ного кольца с уплотняемой поверхностью практически не зависит при прочих равных условиях от диаметра его сечения, а следова­тельно, от последнего не зависят и герметизирующие качества колец. Поэтому при выборе сечения колец исходят в основном из требования надежности и срока службы, а также из конструктивно-производственных соображений.

Ниже приведены принятые в практике соотношения диаметра поперечного сечения кольца и внутреннего его диаметра в :

………………………………….. 3-10 10-18 18—36 36-110 110-270

………………………………… 1,6 2,5 3,4 5,2 6,6

Увеличение диаметра кольца несколько улучшает уплотняю­щие качества, а также увеличивает срок службы, однако при этом увеличивается трение. При уменьшении же диаметра кольца увеличивается износ, и оно становится чувствительным к механи­ческим повреждениям. Ввиду этого минимальный диаметр сечения кольца выбирают не менее 2 . Исключение составляют кольца с очень малым внутренним диаметром ( ). Макси­мальный диаметр сечения кольца для диаметров окруж­ности кольца порядка 100—300 обычно не превышает 6 - 7 .

На рис. 374, б показана зависимость принятых величин: пред­варительного сжатия кольца от — диаметра его поперечного сечения.

Применяются также канавки с наклонным () основанием (рис. 372, д) в направлении действия давления жидкости. Посколь­ку кольцо под давлением жидкости заклинивается в сужающейся по глубине канавке, герметичность соединения повышается. Мак­симальная глубина канавки выбирается из условия обеспечения предварительного обжатия кольца ; ширина , и величина , где — диаметр сечения кольца в свободном состоянии. Уплотнения с подобными канавками при­меняются в неподвижных соединениях.



Трение и износ колец. Трение круглых колец при нулевом давлении жидкости обусловлено контактным давлением, вызван­ным предварительным его сжатием при монтаже в канавку (при применении защитных колец добавляется трение этих колец). С увеличением предварительного (монтажного) сжатия кольца и повышением величины поверхности контакта, а также с увеличе­нием твердости материала кольца трение повышается. Контакт­ное давление колец и площадь контакта под действием давления жидкости увеличиваются (рис. 375, а), в соответствии с чем уве­личивается и сила трения (рис. 375, в), хотя коэффициент трения резины по металлу, как правило, с повышением давления пони­жается (рис. 375, б).

Приближенно принимают, что сила трения колец из резин средней твердости (70 единиц по Шору) с повышением давления до ~200 повышается практически линейно, после чего интенсивность повышения уменьшается, что обусловлено тем, что рост контактной поверхности кольца с дальнейшим повышением давления фактически прекращается (кольцо принимает практи­чески прямоугольное сечение) (рис. 375, а). При повышении температуры от до трение колец монотонно возрастает, причем это повышение более значительно для колец из твердых резин.

Следует также учесть, что в результате более высокого тепло­вого расширения резины по сравнению с расширением металлов повышение температуры приводит к увеличению сжатия резины, а следовательно, и напряжений в уплотнительном кольце.

Коэффициент трения колец уменьшается с увеличением ско­рости скольжения. Это обусловлено в основном возникновением более благоприятных условий для проявления гидродинамиче­ского эффекта, т. е. увеличение скорости перемещения сопровождается увеличением толщины масляного клина, а следовательно, более полным разделением трущихся поверхностей.



Рис. 375. Площадь контакта уплотнительных колец в зависимости от давления (а) и кривые коэффициента (б) и сил (в) трения колец


В табл. 21 приведены усилия трения при различных рабочих давлениях и твердости резины кольца размером , помещенного в прямоугольную канавку с поперечным обжатием 0,2 .

Для снижения трения поверхность резиновых колец часто покрывают политетрафторэтиленом.



Таблица 21

Зависимость усилия трения от рабочего давления и твердости резины

Для того чтобы уменьшить трение в узлах уплотнения системы гидроавтоматам и тем самым повысить ее чувствительность к сигналам, применяют схемы, в которых мягкие уплотнители отсутствуют, внешние же утечки устраняются тем, что все каналы (камеры) перед подлежащими герметизации узлами, выходящими во внешнюю среду (штоки золотников и пр.), соединяются с зоной вакуума, создаваемой эжектором, установленным на линии отвода жидкости в бак.

Для уплотнительных колец важное значение имеет статическое трение (трение покоя), которое в зависимости от длительности пре­бывания уплотнительного кольца в покое в контакте с металли­ческой поверхностью может превысить в 3 - 4 раза трение движе­ния даже при отсутствии давления (рис. 376, а).

Рис. 376. Кривые зависимости сил трения резинового кольца от продолжительности контакта с уплотняемой поверхностью


Указанное повышение трения и соответственно сдвигового усилия при увеличении длительности контакта резиновых де­талей с металлической поверхностью является важной характери­стикой фрикционной пары резина — металл, которая определяет работоспособность резиновых уплотнительных деталей. Если это явление в неподвижных уплотнительных соединениях типа прокладок способствует обеспечению герметичности, то в под­вижных оно может явиться причиной нарушения герметичности и потери работоспособности гидросистемы. Так, например, если кольцо длительное время находится в покое под давлением жидко­сти, трение, обусловленное сцеплением кольца с металлической поверхностью, может настолько (рис. 376, б) повыситься (кольцо как бы прилипает к металлической поверхности), что при смеще­нии его с места может произойти срезание отдельных его участков. Ввиду этого движение штока (вала) при некоторой малой скорости может стать скачкообразным — с чередованием проскальзывания с остановками.

Указанное повышение силы статического трения в основном обусловлено тем, что резина при длительном контакте заполняет микрорельеф металла, в соответствии с чем при сдвиге происходит вынужденное эластическое передеформирование участков резины, затекшей в неровности.

При более грубых поверхностях резина прилипает в меньшей степени, чем при более тонких, что объясняется тем, что в микро­впадинах грубых поверхностей сохраняется некоторое количество жидкости, тогда как при тонких поверхностях смазка полностью выдавливается и резина вступает в непосредственный контакт с металлической поверхностью.

Прочность прилипания линейно повышается с увеличением температуры, а также зависит от вида металла: прилипание к ла­туни значительно выше, чем к стали. К деталям из фторопласта, а также из стекла резина практически не прилипает.

После того, как кольцо будет сдвинуто с места, трение обычно восстанавливается до начальной величины, соответствующей тре­нию движения (см. пунктирные линии , и на рис. 376, б). Если поршень находится в покое , то сопротивление началу движения (страгиванию) обычно не превышает силы трения при движении; через минуту покоя оно может повыситься в 2 раза и затем растет по экспоненциальному закону, асимптотически приближаясь к предельному значению. По истечении некото­рого времени (30 - 40 ) повышение трения обычно прекра­щается.

Испытаниями установлено, что долговечность качественных уплотнительных колец круглого сечения, работающих под дав­лением 150 - 200 при длине хода 40 - 60 , соответствует — 1 млн. циклов (ходов). Однако даже после появления незначи­тельных утечек уплотнение способно еще длительное время рабо­тать без каких-либо серьезных нарушений действия гидросистемы. Срок службы круглых колец при понижении давления значи­тельно (практически в квадратичной зависимости) повышается.

МАТЕРИАЛЫ И КАЧЕСТВО ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ УПЛОТНИТЕЛЬНОГО УЗЛА

Трение и износ деталей уплотнительного узла в значительной степени зависят от материала и чистоты обработки поверхности деталей, по которой скользит уплотнительное кольцо.

Увеличение высоты микронеровностей уплотняемой поверх­ности сопровождается ростом сил трения, причем с повышением рабочего давления эта зависимость выражается более резко.

Силы трения установившегося движения зависят также от формы и однородности микрорельефа. Так, например, применение виброобкатки (виброраскатки) для обработки металлических по­верхностей, при которой увеличиваются радиусы закругления вершин микронеровностей,- значительно уменьшает силы трения и износ резиновых деталей.



Рис. 377. Зависимость коэффициента трения резины от шероховатости поверхности вала:

1 – твердость резины 60 единиц; 2 – твердость резины 80 единиц
На рис. 377 показаны кривые, характеризующие относительное повышение , коэффициента трения резин в зависимости от шероховатости поверхности вала при смазке минеральным мас­лом по сравнению с гладким валом, где — коэффициент трения гладкого вала.

В соответствии с этим качество обработки влияет на износ колец, который увеличивается с увеличением неровностей поверх­ности, а также с уменьшением ее твердости. При одинаковой чи­стоте поверхности износ уплотнения при работе с деталями из алюминия, латуни и бронзы будет большим, чем со стальными деталя­ми. Срок службы уплотнения увели­чивается, если трущиеся поверхности хромированы.

От качества обработки этих по­верхностей зависит также герметич­ность уплотнения, которая улучшает­ся с повышением чистоты обработки. Так, например, при повышении чисто­ты обработки штока силового цилинд­ра с 7-го до 10-го класса утечки умень­шались (давление 200 скорость движения штока — 0,84 ) в 6 раз.

В практике чистота обработки по­верхностей деталей, с которыми контактирует уплотнительное кольцо подвижного соединения, дово­дится до . Для деталей из цветных сплавов эти требова­ния снижаются до и для твердоанодированных до .

В уплотнениях неподвижных соединений канавка, в которой размещается уплотнительное кольцо, обрабатывается чистотой соответствующей . Для соединения же со знакопеременным давлением жидкости поверхности канавки, и в особенности ее дно, должны быть обработаны по требованиям, предъявляемым к под­вижным соединениям.




Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4   5   6   7   8


База данных защищена авторским правом ©vossta.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница