Гідравлічні ущільнення

Пристрої ущільнювачів є одними з основних елементів, від яких залежить продуктивність і надійність гідравлічних і пневматичних вузлів і механізмів. Водночас ущільнення є найслабкішою ланкою гідравлічних систем, при виході з ладу якого гідравлічний агрегат стає непрацездатним. Від вдосконалення якості та властивостей елементів ущільнювачів безпосередньо залежать як темпи, так і напрями розвитку гідравлічних і пневматичних машин і механізмів.

Ущільнення - найважливіший компонент гідравлічної конструкції

На початку минулого століття асортимент ущільнень був невеликий - прокладки для нерухомих з'єднань, манжети й сальники для рухливих. Використовувалися клапанні й золотникові пари в гідравлічній апаратурі, застосовувалися діафрагми в деяких видах редукторів.

Потрібно зазначити, що в дореволюційній Росії мало приділялося уваги гідравліці як науці, майже повністю були відсутні друковані видання, освітлюючі цю дисципліну. Проте в 1920-х рр. у зв'язку з прийнятими СРСР планами індустріалізації з'явилася вітчизняна література, присвячена різнобічним аспектам технічної гідромеханіки. Журнали, монографії, керівництво з проектування, праці інститутів видавалися значними накладами. У той період вітчизняна гідравліка висунулася на одно з перших місць у світі.

Розвиток техніки диктував необхідність створення нових конструкцій ущільнень. Наприклад, саме поява поршневих двигунів внутрішнього згоряння в другій половині XIX ст. стала передумовою створення поршневих кілець.

Довгий час розробка ущільнень була грунтована лише на досвіді й інтуїції конструкторів. У 1950-х, коли ущільнення нових видів стали впроваджувати в усі області машинобудування, активно приступили й до розробки основ проектування і стандартизації ущільнень.

Сьогодні усі пристрої ущільнювачів, вживані в автомобілебудуванні, діляться, по-перше, на ущільнення штоків і поршнів, що беруть участь у зворотно-поступальному русі (до них же відносяться брудозйомні кільця і направляючі пояси). По-друге, виділяють ущільнення валів, що здійснюють обертальний рух, а також окремою категорією є ущільнення нерухомих з'єднань.

Типи ущільнень

У зв'язку з тим, що основне завдання ущільнень - запобігти або зменшити витоки рідини або газу в з'єднаннях деталей машин, ущільнення підрозділяються на контактні й безконтактні, вони ж щілинні. Останні застосовують в основному в гідравлічній апаратурі керування і розподілу, де потрібна висока чутливість робочих елементів до зовнішнього навантаження.

До рухливих контактних ущільнень відносяться кільцеві ущільнення, манжети, а також деякі інші види спеціальних ущільнень. Такі ущільнення виконують в гідравлічних пристроях функцію розділення порожнин високого і низького тиску, запобігають внутрішнім протіканням робочої рідини. Виконання ущільненнями своїх функцій підвищує к.к.д. машини, зменшує нагрів робочої рідини в процесі роботи, підтримує на постійному рівні швидкість роботи виконавчих органів машини.

Гумові кільця є самими універсальними ущільненнями, вживаними в усіх областях машинобудування з 1940-х рр. Одна із загальних вимог, що пред'являються до ущільнень, - це компактність. Кільцеві ущільнення малогабаритні, проте забезпечують прийнятну міру надійності й довговічності та водночас характеризуються малими втратами на тертя. Сьогодні застосовуються кільця різних профілів - круглого, овального, прямокутного, Х-подібного, пилкоподібного.

У найперших моделях будівельних машин робочий тиск не перевищував 5-6;МПа, і із завданням ущільнення гумові кільця круглого або прямокутного перерізу цілком справлялися. Але у зв'язку з тенденцією до все більшої мініатюризації гідроапаратів при збереженні високої продуктивності, а також прагнучи максимально понизити їх масу, для прокачування необхідних об'ємів робочого середовища тиск необхідно було підвищувати, і поступово в нових конструкціях воно досягло 32 МПа і більше.

Кільцеві ущільнення, виготовлені відповідно до ДЕСТ 9833-73, розраховані на надійну роботу в гідросистемах при тиску до 32 МПа, в нерухомих з'єднаннях - до 50 МПа. При вищому тиску робочої рідини в системі рекомендується використання гумових манжет. Манжети забезпечують менший витік рідини при роботі, ніж кільця, і велику довговічність, проте їх конструкція складніша, розміри більші, сили тертя вищі, тобто вище і втрати енергії при русі.

Існує декілька основних типів манжет. У вузлах, спроектованих до 1971 р., використовуються так звані комірні манжети (ДЕСТ 6969-54). Сьогодні частіше в конструкціях застосовують гумові манжети ущільнювачів V- образного перерізу, що відповідають ДЕСТ 14896-84, які забезпечують ущільнення проміжку між циліндром і поршнем при тиску від 0,1 до 50 МПа. Шевронні манжети (ДЕСТ 2204-77) використовують при тиску гідрорідини до 63 МПа при температурі від - 50 до +120 °C. Ці манжети встановлюють в комплекті з металевими опорними та натискними кільцями.

При невисоких тисках доцільне застосування гумових манжет, армованих металевими пружинами. Такі манжети ще називають сальниками, їх параметри відповідають ДЕСТ 8752-79. Вони служать для ущільнення валів, працюючих в мінеральній олії, воді, дизельному паливі при надмірному тиску до 0,05 МПа і швидкості обертання до 20 м/с.

Гідравлічні ущільнення встановлюють в канавки, регламентовані відповідними стандартами, які проточують або фрезерують на поверхнях частин вузла, що сполучаються. Це можуть бути площини, і тоді встановлюють торцеві ущільнення. Радіальні ущільнення застосовують при сполученні циліндричних тіл обертання. При укладанні гумового ущільнення в канавку воно деформується, оскільки глибина канавки менше радіусу поперечного перерізу ущільнення. В процесі роботи гідравлічного пристрою діючий тиск прагне видавити ущільнення в проміжок між елементами, що сполучаються.

Істотним недоліком гумових ущільнень є властивість гуми прилипати до зв'язаних металевих поверхонь в стані спокою, особливо якщо поверхня має високу чистоту обробки. Це небезпечно тим, що в рухливих вузлах при початковому русі штока можуть виникнути значні сили тертя, які ведуть до передчасного зношування ущільнення або навіть до виходу його з ладу. При експлуатації в умовах високого тиску також може відбуватися витискування гуми в проміжки ущільнюваних з'єднань і виникнення течі.

Таким чином, в нових гідроагрегатах виникла необхідність в застосуванні нових полімерних матеріалів - фторопласт, поліуретан, поліефір. Модулі пружності цих матеріалів в кілька разів вище, чим у гуми, а коефіцієнт тертя по сталі у декілька разів нижче.

Коефіцієнт тертя - дуже важливий показник. Якщо коефіцієнт невеликий, знижуються втрати енергії на механічне тертя, підвищується к.к.д. гідроапарату. Збільшується термін служби самого ущільнення, особливо це проявляється в механізмах з високою швидкістю переміщення ущільнюваних деталей, таких як гідромолоти, віброплити та т. п.

При високій швидкості ковзання ущільнень, навантажених високим тиском, їх робочі поверхні випробовують іноді критичні температурні навантаження. Щоб забезпечити необхідну теплопровідність, застосовують ущільнення на основі фторопласту з різними теплостійкими наповнювачами. Такі ущільнювачі називаються композитними. Їх матеріал є композицією з декількох компонентів, властивості кожного з яких використовуються в роботі цього ущільнення. Композитними є гумофторопластмасові, гумотканинні й інші ущільнення. Нині існує більш як двісті видів наповнювачів для полімерів, і з розширенням сфери застосування полімерів їх число росте.

У комбінованих ущільненнях гумові кільця служать спеціальним елементом-еспандером, що посилює прилягання пластмасового елементу до ущільнюваної поверхні. В якості матеріалу пластмасових ущільнень використовують в основному фторопласти (ПТФЕ). Ці матеріали забезпечують невеликі втрати енергії на подолання тертя, мають високу стійкість до агресивних середовищ і температур. Такі конструкції успішно працюють при тиску до 35 МПа.

Нині у високонавантажених вузлах успішно застосовуються комбіновані ущільнення з дуже низьким коефіцієнтом тертя, в яких виготовлена з полімерного матеріалу манжета частиною певної форми, що виступає, притискається до штока. Зусилля притиснення забезпечується дією встановленого згори манжети гумового кільця круглого перерізу. Такі ущільнення роблять практично усі провідні зарубіжні компанії - KraftSeals, NOK, Valqua, Merkel, Simrit, Parker, Hansa Flex та ін.

Завдяки властивості гуми утворювати міцні зв'язки з деякими металами як в результаті вулканізації, так і шляхом приклеювання з'явився спеціальний широко вживаний вид гумовометалічних ущільнень.

Контактні ущільнювачі масово роблять на заводах ГТВ переважно методом вулканізації в прес-формах. Так званим формовим ущільненням можна задавати складний профіль перерізу, що забезпечує герметичність і необхідне зусилля тертя. Сьогодні технологічні процеси виробництва відпрацьовані, а великі об'єми забезпечують низьку собівартість виробів.

Ущільнення нерухомих з'єднань відділяють внутрішню частину гідравлічного пристрою від атмосфери. Вони запобігають зовнішнім витокам, при цьому зберігаючи об'єм робочої рідини, і захищають тим самим довкілля, одночасно виконуючи необхідні технологічні вимоги. У стаціонарних з'єднаннях застосовують контактні ущільнення - прокладки різноманітної конфігурації з різних матеріалів, широко використовують різні герметики, шайби ущільнювачів і неформові ущільнення.

Клас неформових ущільнень - це шнури, джгути різної довжини, діаметру і поперечного перерізу. Їх виготовляють методом екструзії гумотехнічної суміші до утворення напівфабрикату з його подальшою вулканізацією. Такі ущільнення застосовують в стикових, нерухомих з'єднаннях в самих різних видах техніки.

Існують також диференціальні, набивальні, камерні, повстяні й деякі інші види ущільнень, розроблені для певної технологічної мети й в автомобілебудуванні практично не застосовуються.

Особливо широко сальники використовуються в трубопровідній арматурі для ущільнення рухливих деталей арматури: елемент ущільнювача з примусовою напругою, необхідною для забезпечення герметичності. Сальники можуть використовуватися і для ущільнення нерухомих частин устаткування, наприклад в трубних і кабельних проходках. Вони характеризуються простотою конструкції. На зовнішній стороні кришки або корпусу механізму в тому місці, де через них проходить шток (чи вал), створюється сальникова камера (чи коробка), в яку закладається матеріал ущільнювача - сальникове набивання. За допомогою спеціальних пристроїв набивання підтискають так, що в ньому створюються зусилля, під дією яких воно притискається до стінки сальникової камери й до циліндричної поверхні штока. У механізмах малого діаметру підтискання набивання робиться накидною гайкою, великого діаметру - спеціальною деталлю: кришкою сальника, яка кріпиться болтами з гайками. В деяких випадках для зниження тертя застосовують сальники з мастилом, яке подається ззовні через спеціальну масельничку. Сучасне сальникове набивання зазвичай є шнуром або кільцями з азбесту з графітовим просоченням. Також використовуються безазбестові матеріали ущільнювачів з фторопласту або на основі графіту. Застосовують і інші матеріали, що визначається конкретними умовами експлуатації. UK">Манжета (від франц. manchette - рукавчик) - ущільнювальна деталь рухливої круглої в перерізі деталі машини. Манжета зазвичай має вигляд кільця з гуми або полімеру з робочою кромкою, можливо пильовиком і круглою пружиною, яка підтискає робочу кромку до валу. Манжети перешкоджають проникненню рідин і газів з області високого тиску в область низького тиску.