Xi герметизация (уплотнение) соединений элементов гидросистем


Выдавливание кольца в зазор



страница5/8
Дата09.08.2019
Размер1.08 Mb.
ТипГлава
1   2   3   4   5   6   7   8

Выдавливание кольца в зазор. Уплотнительное резиновое кольцо деформируется под действием давления жидкости и при соответствующих условиях может быть выдавлено в зазор между уплотняемыми поверхностями (рис. 378, а). Кольцо круглого сечения отличается от прямоугольного лишь тем, что последнее приходит к острым кромкам канавки при некотором малом дав­лении, способном преодолеть лишь трение его в канавке, тогда как для прихода в контакт с этими кромками кольца круглого сечения оно должно быть до этого соответствующим образом деформировано давлением. Так как материал этого кольца приходит к кромкам канавки в напряженном состоянии, выдавливание его в зазор наступает при более высоком давлении или соответственно при большом зазоре, чем кольца прямоугольного сечения.

Выдавливание кольца круглого сечения в зазор так же, как и прямоугольного, является основной причиной разрушения. Высо­кая частота изменения (пульсация) давления особенно интенсивно вызывает выдавливание и разрушение. При определенной величине пульсирующего давления материал кольца выдавливается в зазор, острый угол кромки т канавки врезается в кольцо, разрушая его поверхность. Так как кольцо при пульсации давления несколько проворачивается, в контакт с острыми кромками канавки всту­пают новые его участки и разрушению подвергается значительная часть поверхности кольца (рис. 378, б). При двустороннем давлении кольца разрушаются с двух сторон (рис. 378, в). В результате разрушения поверхности кольца острыми кромками канавки в контакт с уплотняемой металлической поверхностью начнут вступать при нулевом давлении поврежденные участки поверх­ности кольца и герметичность уплотнения будет нарушена. Од­нако, даже если подреза кольцами кромки канавки и не наблю­дается, разрушение его все-таки начинается обычно с этого места (в точке , см. рис. 378, а) вследствие того, что здесь развивается максимальное напряжение материала уплотнительного кольца при его деформации.



Рис. 378. Характер разрушения резиновых колец круглого сечения


Так как выдавливание уплотнительного кольца в зазор про­исходит тем интенсивнее при одинаковом давлении, чем больше величина зазора и меньше твердость резины, то от этих факторов в значительной степени зависит и срок службы кольца.

В целях предупреждения выдавливания кольца зазор должен быть очень малым, как это позволяют технологические возмож­ности, однако с учетом коэффициентов теплового расширения материалов сопряженных деталей.

Для удовлетворительной работы уплотнительных колец кругло­го сечения необходимо, чтобы максимальная величина зазора на сторону не превышала величин, приведенных в табл. 22. В табл. 23 приведены для сравнения значения зазоров, принятых в США.

Таблица 22

Зависимость зазора на сторону от рабочего давления при твердости резины



Таблица 23

Зависимость зазора от рабочего давления при твердости резины

Необходимо учитывать возможность изменения размера зазо­ров, обусловленного недостаточной жесткостью деталей, а также отжатием поршня к одной стороне.



Защитные кольца. Для предохранения уплотнительных колец от выдавливания в зазор при давлениях более 100 с одной или по обеим сторонам уплотнительного кольца устанавливают защитные кольца (рис. 379, а и б).

Рис. 379. Схемы применения в уплотнительном узле кольца круглого сечения защитных колец

При установке защитных колец резиновые уплотнительные кольца можно применять при давлении — 1000 и выше.

Однако защитные кольца (особенно кожаные) значительно повы­шают трение уплотнительного узла.

Защитные кольца могут быть изготовлены из любого эластич­ного материала, обладающего достаточной жесткостью, чтобы противодействовать выдавливанию его давлением жидкости в за­зор.

Наиболее распространены кольца из кожи, твердой резины, фторопласта, текстолита и пр. Наилучшими свойствами обладают фторопластовые кольца, которые пригодны для температур от до . Толщина колец из этого материала 1 при и 1,5 при , где — средний диаметр кольца. Зазор между уплотняемыми деталями не должен быть больше 0,04 - 0,05 . Для удобства монтажа эти кольца выпол­няются со скошенным разрезом.

В агрегатах, не предназначенных для работы при высоких температурах, применяют разрезные и неразрезные защитные кольца из кожи (ГОСТ 1898—48) толщиной 1 - 2,5 . Стыки раз­резных колец выполняются внахлестку. Перед монтажом нераз­резное защитное кольцо из кожи размачивают в воде, что позво­ляет растянуть его до требуемого для монтажа размера; после монтажа в канавку кольцо осаживается и вместе с поршнем по­мещается в цилиндр. Внешний и внутренний размеры заготовки подобного кольца выполняют с учетом обеспечения при мон­таже небольшого обжатия по наружному и внутреннему диа­метрам.

Для уменьшения трения при холостом ходе применяют защит­ные кольца клинообразной формы (рис. 379, в и г). При отсутствии давления (рис. 379, в) эти кольца не контактируют с уплотняемой поверхностью, поэтому трение обусловлено лишь предваритель­ным сжатием уплотнительного кольца. При наличии же давления уплотнительное кольцо прижимается к соответствующему защит­ному кольцу и, деформируя его в радиальном направлении, вво­дит в контакт с уплотняемой поверхностью (рис. 379, г), устраняя зазор между кольцом и деформирующейся стенкой.

ПОТЕРЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ

Уплотнительное кольцо может потерять плотность контакта с уплотняемой поверхностью, в результате чего герметичность соединения нарушится.

Основными причинами, нарушающими контакт, являются повышенная скорость скольжения, эксцентричность кольцевой канавки, растяжение кольца, влияние температур и качества жидкости и пр.

На рис. 380 показана зависимость утечек жидкости через уплот­нение штока от скорости движения и качества обработки послед­него.

Причиной потери герметичности может служить эксцентрич­ность кольцевой канавки под уплотнительное кольцо относительно внешней поверхности поршня, в результате чего кольцо в одном месте по окружности будет излишне обжато, а с диаметрально противоположной стороны может потерять контакт с уплотняемой поверхностью. Нетрудно видеть, что если величина эксцентрич­ности канавки (рис. 381, а и б) относительно внешней поверхно­сти поршня достигнет значения, превышающего величину номи­нального предварительного сжатия кольца (см. также рис. 374, а), то герметичность уплотнения нарушится. То же будет наблюдаться при отжатии поршня к одной стороне и в особенности при больших радиальных зазорах.

Рис. 380. Зависимость утечек Рис. 381. Схема, иллюстрирующая влияние

жидкости от скорости штока, эксцентричности канавки под уплотнитель-

уплотненного кольцом круглого ное кольцо на герметичность соединения

сечения
При неравномерном по окруж­ности обжатии кольца и неравномерной твердости материала кольца, а также при низком качестве контактирующих с ним поверхностей одна часть кольца по окруж­ности может скользить по рабочей поверхности, а другая перека­тываться, в результате произойдет скручивание кольца, сопро­вождающееся потерей герметичности.

Вероятность скручивания кольца уменьшается при повышении точности зазоров и концентричности канавки относительно порш­ня, а также при уменьшении радиальной деформации кольца и его твердости. Вероятность скручивания кольца уменьшается также при посадке кольца в канавке поршня с небольшим (3 - 5%) растяжением.

Скручивание можно устранить, если придать кольцу овальное сечение и расположить его в канавке так, как это показано на рис. 381, в. Подобное кольцо обладает при всех прочих равных условиях более высокий, чем цилиндрическое кольцо, контактной поверхностью.

На герметичность и срок службы колец влияет вытяжка (рас­тяжение) их при монтаже в канавку, величина которой выражается (рис. 382, а)



, (494)

где — диаметр шейки канавки;



— внутренний диаметр кольца;

— диаметр сечения кольца.

Это растяжение по различным рекомендациям принимается от 2 до 5%. Так, например, по нормали ВВС США принято растя­жение от 0 до 2% и по нормали США общепромышленного приме­нения от 1 до 5%.

При растяжении кольца () площадь поперечного сече­ния кольца будет изменяться обратно пропорционально измене­нию его длины.

Одновременно с этим при монтаже кольца в канавку цилиндричность его сечения вследствие действия сил, обусловленных растяжением, будет нарушена: кольцо сплющится по высоте, в результате кон­такт его с уплотняемой поверхностью бу­дет происходить не по линии (рис. 382, а), а по некоторой цилиндрической поверх­ности (рис. 382, б).



Рис. 382. Деформация сечения уплотнительного кольца при установке на шток


Под действием сил растяжения нару­шается также форма сечения кольца и по внешней его поверхности (оно становится более плоским), что еще более увеличи­вает сплющивание кольца по высоте (). Кроме того, неравномерная вытяжка на отдельных участках длины кольца мо­жет произойти вследствие наличия в ре­зине различных включений, а также в ре­зультате неравномерной механической ее прочности на различных участках длины кольца. В результате указанного предварительное напряжение (обжатие) кольца, создающее начальный плотный контакт его с поршнем, может быть потеряно.

Нарушение плотности контакта уплотнительного кольца с уп­лотняемыми поверхностями может произойти также в результате воздействия на него жидкости. Вымывание из резины пластифика­торов, добавляемых для сохранения ею упругости при низких температурах, может привести к значительному уменьшению объема резины и к усадке кольца. Для устранения возможных нарушений герметичности предварительное сжатие кольца выби­рается с учетом этого вымывания. Для этого размеры пресс-форм должны быть подобраны так, чтобы кольца имели требуемые раз­меры после 5—10-суточного выдерживания в рабочей жидкости.



Рис. 383. Способы защиты уплотнительного кольца от грязи


Важным фактором» определяющим срок службы уплотнения, является предохранение его от действия абразивных частиц. Для уменьшения возможности попадания этих частиц в уплотнительный узел применяются резиновые или кожаные скребковые (очистительные) кольца 1 и фетровые кольца 2, устанавливаемые с внешней стороны уплотнительного кольца 3 (рис. 383, а). Кольца плотно охватывают шток и при движении последнего очищают с него грязь. В некоторых случаях для этой же цели с внешней стороны уплотни­тельного кольца устанавли­вается в отдельной канавке металлическое разрезное кольцо 4 (рис. 383, б).

Если уплотнительное кольцо пересекает при своем движении какую-либо канав­ку или отверстие на по­верхности скольжения, то материал кольца будет внедряться в такое неогражденное про­странство, в результате чего на концах могут образоваться по­резы и вырывы (рис. 384, а). Для предохранения кольца от по­добных повреждений на сопрягаемой детали выполняют фаску под углом на такой длине, при которой ввод кольца в ци­линдр или ввод штока в кольцо происходит без поперечного его обжатия (рис. 384, б). Подобные фаски должны быть предусмотрены также в местах размещения подводящих и отводящих кана­лов и отверстий (рис. 384, в), расположенных на пути движения кольца при работе агрегата.



Рис. 384. Схемы конструктивных мер по предохранению уплотнительного кольца от разрушения


Влияние температуры и качества жидкости. При работе в условиях отрицательных температур монтажное сжатие уплотни­тельного кольца может вследствие температурной усадки резины уменьшиться или даже полностью исчезнуть. Величина этой усадки определяется коэффициентом теплового расширения, ко­торый у резины почти в 10 раз больше, чем у сталей. Поэтому величину обжатия уплотнительного кольца следует выбирать такой, чтобы после уменьшения размера, обусловленного пониже­нием температуры, обжатие оставалось достаточным для обеспече­ния герметичности.

Кроме того, с понижением температуры резко ухудшаются упругие свойства резин, ввиду чего снижается контактное давле­ние, обусловленное монтажным сжатием кольца, которое при минус для неморозостойких резин полностью исчезает; даже для специальных морозостойких сортов резин контактное давление при этих температурах составляет не больше 25% зна­чения этого давления при .

Потеря резиной при низких температурах упругости и эластич­ности ухудшает свойство восстанавливаемости кольцом формы, необходимой для компенсации нарушений цилиндричности уплот­няемых поверхностей и микронеровностей, а также биений при ходе поршня или штока.

На характеристики уплотнительного кольца отрицательно влияют также высокие температуры, которые при длительном воз­действии снижают в результате процессов стеклования, старения и релаксации эластичность и упругие свойства резины, что, в свою очередь, сопровождается уменьшением контактного давления и нарушением герметичности соединения.

Поэтому при определении начальных параметров уплотни­тельного кольца необходимо создавать некоторый «запас» кон­тактного давления.

Расчеты колец и канавок. В гидросистемах машин в основном применяют прямоугольные канавки (см. рис. 372, 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 поперечного сечения свободного кольца на вели­чину , значение которого определяет величину предварительного сжатия кольца. Для колец подвижных соединений с диаметром поперечного сечения 2 величину принимают равной диаметра сечения и 10—6% диаметра — для колец с диаметром 2 - 6 . Для уплотнений неподвижных соединений к может быть увеличен, если это допускается условиями монтажа, до 15—25% диаметра поперечного сечения кольца. Следует отметить, что с повышением предварительного сжатия выносливость уплотне­ния повышается.

С учетом допусков на размеры деталей фактическое сжатие кольца может быть меньше расчетного. Значение фактического сжатия кольца с учетом изменения линейных размеров



,

где - минимальный диаметр сечения уплотнительного кольца с учетом возможных производственных отклонений;



- максимальный размер (глубина) канавки под кольцо.

Радиус сопряжения боковых стенок канавки с дном для подвижных соединений выбирается равным 0,3 - 0,8 и неподвижных радиусом . Этим же радиусом выполняют закругление донышка угловой канавки (см. рис. 372, г).

Острые кромки канавки могут при­вести при пульсирующем давлении к разрушению вследствие подреза уплот­нительного кольца, ввиду чего кромки не закругляют, а лишь притупляют ( ).

Ширина канавки должна быть примерно на 20—25% больше диаметра поперечного сечения кольца в сво­бодном его состоянии или равна ширине кольца в обжатом состоянии. Увеличение бокового зазора между уплотнительным кольцом и боковыми стенками канавки сопровождается при двусторонней работе уплотнения (если давление прикладывается попеременно к противоположным сто­ронам поршня) увеличением «люфта», который нежелателен.



Рис. 385. Расчетная схема уплотнительного узла с кольцом круглого сечения


Размеры канавок для уплотнений подвижных соединений рас­считываются по формулам (рис. 385):

для канавки в поршне



(495)

для канавки в цилиндре



(496)

где — внутренний диаметр цилиндра или буксы;



— внешний диаметр поршня или штока;

— внешний диаметр канавки (шейки канавки) на поршне;

— внутренний диаметр кольца в свободном состоянии;

— внутренний диаметр канавки в цилиндре;

— номинальный диаметр поперечного сечения уплотнительного кольца;

— фактический диаметр поперечного сечения уплотнительного кольца;

— радиальное сжатие уплотнительного кольца.

Рекомендуемые соотношения размеров колец и канавок при­ведены в табл. 24.



Таблица 24

Размеры колец и канавок

УПЛОТНЕНИЕ ВРАЩАЮЩИХСЯ ВАЛОВ

Уплотнения вращающихся валов осуществляются в основном двумя способами: по окружности вала (радиальное уплотнение) и по торцовым поверхностям (торцовое или механическое уплот­нение).

Помимо этого, в соединениях с вращательным движением с вы­сокими скоростями применяют в некоторых случаях динамические уплотнения центробежного (импеллерного) и винтоканавочного (спирального) типов. Эти уплотнения не устраняют зазор, а лишь способствуют уменьшению утечек, что достигается «запиранием» зазора или отбрасыванием жидкости обратно в уплотняемую по­лость. Последние уплотнения (см. рис. 354) применяются в гидро­агрегатах преимущественно в качестве промежуточных.

Уплотнения вращающихся валов должны обеспечивать полную герметичность. Однако ввиду сложной зависимости механиз­ма герметизации от различных факторов полное устранение уте­чек затруднительно, поэтому оговаривается допустимая утечка. В частности примерно 80% синтетических радиальных уплотнений валиков насосов диаметром 15 - 25 (при давлении 1 ) имеют утечку 0,0022 , или около одной капли за 10 работы. Около 15% уплотнений имеют утечку до 0,1 , которая счи­тается предельной.

УПЛОТНЕНИЯ РАДИАЛЬНОГО ТИПА

В машиностроении широко применяются (80—85% всех уплот­нений этого назначения) уплотнения радиального (манжетного) типа (рис. 386). Эти манжеты в основном изготовляются из резины и резиноподобных материалов и реже из кожи. Применяют маслостойкие сорта синтетического каучука, имеющие при твердость по Шору 65—85.

На рис. 386 представлены конструктивные схемы типовых манжет из резины (рис. 386, а и б) и кожи (рис. 386, в). Уплотне­ния с резиновыми манжетами в основном отличаются друг от друга местом расположения металлического каркаса , служащего для увеличения жесткости манжет. Каркас располагается с внешней (рис. 386, а) и внутренней (рис. 386, б) сторон манжеты или заде­лывается внутрь тела манжеты (см. рис. 389). Расположение ме­таллического каркаса с внутренней стороны и внутри тела ман­жеты предпочтительнее внешнего расположения, если предусмот­рен демонтаж уплотнения, благодаря тому, что при смене манжеты не будет портиться поверхность гнезда корпуса. Для двусторон­него уплотнения (разделения сред) применяют манжеты с двумя рабочими кромками с плоскими поджимными пружинами (рис. 386, г). Манжеты, представленные на рис. 386, д и е, снаб­жены вспомогательными уплотняющими элементами (кромками) для защиты основных кромок от грязи.



Рис. 386. Формы сечений манжет для уплотнения вращающихся валиков


Особенностью работы уплотнений вращательных соединений является то, что контакт уплотнительной манжеты с поверхностью вала происходит по небольшой постоянной поверхности, вследст­вие чего на этой поверхности и контактирующей с ней уплотняю­щей кромке манжеты развиваются высокие температуры, которые при окружных скоростях вала более ~4 могут превышать температуру рабочей жидкости на и более.

Учитывая столь большой перепад температур, следует при выборе рабочих параметров манжетного уплотнения вращающе­гося вала исходить не из температуры жидкости в баке гидроси­стемы, а из фактической температуры в месте контакта кромки манжеты с валом, превышение которой над температурой масла для одноманжетного уплотнения можно принять , если отсутствуют более точные данные.

Испытания серийных насосов показали, что перегрев уплотнительного узла в основном обусловлен выбором завышенного контактного давления манжеты на вал, которое, в свою очередь, зависит от величины растяжения манжеты при посадке ее на вал, а также от усилия затяжки браслетной пружины , обжимающей эту манжету (см. рис. 386, а).

По достижении температурой кромки некоторого критиче­ского значения уплотнение теряет герметичность вследствие за­твердения резины.

Температура в месте контакта манжеты с валом зависит также от давления рабочей среды, повышаясь с увеличением последнего. Это обусловлено тем, что давление нагружает кромки манжеты, повышая контактное давление ее с валом.

Поэтому уплотнительные манжеты применяются при давле­ниях жидкости перед уплотнением обычно не выше ~2 . При необходимости повышения этого давления должна быть сни­жена окружная скорость (число оборотов) вала.

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 (см. рис. 386). От правильного выбора и тщательности изготовления пружины во многом зависит надежность уплотнения, так как от величины удельного давления зависят герметичность уплотнения и тем­пература вала и манжеты.

Так как радиальное давление, обусловленное предваритель­ным натяжением манжеты, при посадке ее на вал не сохраняется (уменьшается) в процессе работы, целесообразно это давле­ние сводить к минимуму также и в начале работы уплотнения, требуемое же радиальное давление обеспечивать в основном пру­жиной.

Манжета должна устанавливаться на вал с натяжением, кото­рое достигается тем, что диаметр отверстия в манжете в сво­бодном состоянии выбирается меньше диаметра вала (рис. 387, а). В практике размеры манжеты выбирают с таким расчетом, чтобы при монтаже ее на вал внутренний диаметр уплотняющих кромок (губ) был увеличен на 5—8%. Обычно внутренний диаметр ман­жеты в свободном состоянии выбирается примерно ад 2 мм меньше диаметра вала.

Внутренний диаметр кольца пружины в свободном состоя­нии обычно выбирают примерно на 2 меньше рабочего диаметра посадочного места манжеты под пружину , равного сумме диа­метра вала с удвоенной толщиной манжеты. Для распространен­ных диаметров валов (~20 ) внутренний диаметр кольца пружины обычно выбирают на 1 меньше диаметра посадочного места манжеты под пружину. При расчетах исходят из условия, чтобы при минимальном диаметре вала, максимальной толщине манжеты и максимальном внутреннем диаметре пружины было обеспечено растяжение пружины не менее 1 на диаметре:



.

Для резиновых уплотнений для валов с окружной скоростью удельное сжатие манжеты пружиной должно составлять ; для . Для кожаных манжет, предназ­наченных для работы при и скорости , а также для ре­зиновых манжет при этой скорости и величина . Для кожаных манжет, работаю­щих при и , а также резиновых манжет, рабо­тающих при и , . Нижние пре­делы значений устанавливаются для уплотнения с более высокими окружными скоростями.



Рис. 387. Схемы установки манжеты на вал


При монтаже манжеты на вал следует обратить внимание на возможность выворачивания кромки уплотнительной губы ман­жеты в направлении стрелки (см. рис. 387, а), которое может произойти при монтаже манжеты на вал в направлении стрелки .



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