Конструктор для машинобудівників. Ущільнення штоків і поршнів
Щоб забезпечити герметичність рухливих і нерухомих з'єднань поршневих гідроциліндрів, між металевими поверхнями встановлюють контактні ущільнення з еластичних матеріалів. З великої номенклатури пропонованих сьогодні на ринку ущільнень важливо вибрати оптимальний тип опорно-напрямних кілець. Цю проблему потрібно вирішувати тільки комплексно, з урахуванням вимог до зв'язаних поверхонь ущільнюваних деталей, сумісних з робочою рідиною (РР), і інших змінних чинників.
Як вибрати ущільнення для гідроциліндрів
Вирішальне значення при виборі мають конструкція ущільнення, властивості матеріалу і профіль ущільнення, його здатність автоматично пристосовуватися до умов роботи, підтримуючи постійну герметичність ущільнення, знижуючи силу тертя і знос. Цього можна досягти або при контакті ущільнення з металевими поверхнями без тиску РД, або за допомогою зміни ущільнюючої дії, пропорційної тиску РД.
Відомо, що профіль ущільнення робить вирішальний вплив на пружну деформацію його кромок, створюючи притискне зусилля в місці контакту з металевими поверхнями. Це важливо для відвертання або зменшення витоків РР через рухливе з'єднання. При недостатньому зусиллі масляна плівка між ущільнюючою кромкою і металевою поверхнею стає надмірно товстою, що призводить до витоків РР. Надмірне притискне зусилля, що виникає при високому тиску, стає причиною розриву масляної плівки між ущільнюючою кромкою і металевою поверхнею. В цьому випадку недолік мастила збільшує тертя, як наслідок підвищується температура, а термін служби ущільнення набагато скорочується. Сучасний профіль ущільнення розраховується з використанням новітніх комп'ютерних технологій. Він може автоматично змінювати радіальне навантаження тиску РР, що пропорційно додається.
Дуже обмежено застосування еластичних ущільнень з неармованого акрилонітрилбутадієнового каучуку (NBR, або АВС-пластик) при високому тиску, особливо з динамічними навантаженнями. У них є серйозний недолік – вони видавлюються в проміжок. Звичайно, цього можна уникнути, зменшивши проміжок між металевими рухливими деталями, але таке рішення часто суперечить економічним і функціональним вимогам. Тому ущільнення для середніх і високих тисків армують спеціальними тканими матеріалами, що запобігають не лише витискуванню, але і зносу. Якщо ущільнення працюють при дуже високих тисках (понад 50 МПа) або з проміжком між металевими деталями, що перевищує рекомендовані значення, на них встановлюють захисне або опорно-напрямне кільце з політетрафторетилену (P.T.F.E), стійкого до окисників, лугів, кислот, органічних розчинників (торгові назви: фторпласт-4, фторлон-4, тефлон).
Змінні, які характеризують робочий цикл гідравлічної системи, можуть робити помітний вплив на робочі характеристики ущільнюючих елементів. Поведінка ущільнень при різних значеннях тиску, температури й швидкості має дуже велике значення.
Зростаючий тиск помітно скорочує термін служби ущільнень. Тому усі матеріали, використовувані для їх виготовлення, мають бути стійкими до механічних дій, щоб не сталося витискування ущільнень в проміжки при високому тиску і при виникненні радіальних навантажень, що викликають зміщення штока відносно передньої направляючої втулки або поршня відносно гільзи.
Дуже складно визначити максимальну швидкість рухливого з'єднання із-за великого числа впливаючих чинників – робочий тиск, в'язкість РД, чистота поверхні, стійкість до абразивного зносу матеріалу ущільнення та ін. Встановлено, що оптимальне тертя в ущільненні спостерігається при швидкостях штока від 0,05 до 0,20 м/с. При швидкості нижче 0,05 м/с товщина масляної плівки між кромкою ущільнення і металевою поверхнею недостатня. В результаті виникають висока сила тертя, швидкий знос і нерівномірний рух поршня. При швидкості вище 0,5 м/с може виникати гідродинамічний тиск, що призводить до того, що кромка ущільнення відходить від металевої поверхні й відбувається витік РД.
Автори радять застосовувати ущільнення Guardex, виготовлені з еластичних матеріалів, спеціально розроблених і випробуваних при швидкостях до 0,5 м/с. При вищих швидкостях краще використовувати ущільнення з наповненого бронзою політетрафторетилену (PTFE).
Ущільнення для штоків
Ущільнення типу TSE встановлюють у відкриту канавку з попереднім натягом. Його застосовують для герметизації штоковою і поршневою порожнин гідроциліндрів. У двосторонніх гідроциліндрах на поршні слід встановлювати два ущільнення. Задня частина ущільнення складається з армованого тканиною каучуку, що запобігає витискуванню в проміжок при високих тисках.
При великих проміжках з ущільненням і при тиску до 50 МПа слід застосовувати ущільнення із захисними кільцями з поліаміду, що встановлюються за внутрішнім діаметром (TSE - AI) або за зовнішнім (TSE-AE). У стандартному виконанні ущільнення TSE виготовляють з акрилонітрилбутадієнового каучуку (NBR), але для роботи в екстремальних умовах застосовують і інші матеріали (EPDM, FKM).
Ущільнення типу PSE спеціально розроблене для гідроциліндрів, працюючих при високих тисках, схильних до сильних вібрацій і динамічних навантажень, наприклад для гідроциліндрів одноковшових екскаваторів і бурових установок, а також в гідроприводах машин, в яких потрібно гарантовану герметичність при широкій зміні режимів роботи, і передусім зміна робочого тиску (у гідроциліндрах підйому стріли кранів, кріплень в шахтах).
Ущільнення PSE складаються з трьох елементів: основний елемент ущільнювача виконаний з каучуку, підтримувальний елемент – з армованого тканиною каучуку, захисне кільце – з поліациталя, яке використовується проти витискування ущільнення в проміжок по штоку.
Застосування ущільнень типу TTS є недорогим, але водночас універсальним рішенням, придатним для більшості стандартних гідроциліндрів. Воно є манжетою комірного типу з симетричним профілем, виконаною з поліуретану Technoland. Цей матеріал розроблений за спеціальною технологією і характеризується високою еластичністю, стійкістю до витискування в проміжок, стійкістю до зношування і низькою залишковою деформацією.
Ущільнення TTS/L має додаткову кромку, що знижує проникнення повітря в штокову порожнину гідроциліндра при зворотному ході. На ущільненні TTS/L-AI окрім другої кромки розташовано захисне кільце проти витискування в проміжок по штоку.
Ущільнення GUA - RING тип 02 призначено для гідроциліндрів, працюючих при високих тисках і з високими швидкостями штоків. Ущільнення складається з двох елементів: з наповненого бронзою політетрафторетилену (PTFE) і підтискного каучукового кільця ущільнювача круглого перерізу. Коефіцієнт тертя матеріалу ущільнення дуже низький, зносостійкість – висока. Ущільнення GUA-RING GIR, аналогічне за конструкцією й матеріалам, призначено для вищих тисків і швидкостей до 15 м/c. Ущільнення встановлюють в закриту канавку; при необхідності рекомендується встановлювати підтискні кільця.
Ущільнення для поршнів
Застосування складених ущільнень типу TPM або TPL є недорогим рішенням, відповідним для більшості гідроциліндрів двосторонньої дії, працюючих при середньому рівні тиску. Обоє вони складаються з п'яти елементів: центральної багатокромки з каучуку(NBR), двох розрізних захисних кілець з поліефіру і двох розрізних направляючих кілець з поліацеталя. Ущільнення TPL застосовують в компактних поршнях. Від ТРМ воно відрізняється тільки розмірами. Форма багатокромки середнього елементу підвищує надійність ущільнень TPM, це особливо важливо при тривалих статичних навантаженнях, наприклад в гідроциліндрах стріли й для виносних опор кранів або для установок, вживаних при капітальному ремонті нафтових і газових свердловин.
Поршневі складені ущільнення типу TPS/T і TPS/G призначені для важких режимів експлуатації. Армування тканиною зони рухливого контакту забезпечує високу механічну міцність, термостійкість і низький коефіцієнт тертя.
Захисні кільця (а) або направляючі кільця (б) вбудовуються в еластичні елементи ущільнювачів. Таке рішення забезпечує ідеальне центрування навіть при виникненні неспіввісності між деталями, що рухаються. Під тиском захисне кільце притискається до гільзи й компенсує зміни радіального проміжку, викликані зносом зв'язаних деталей циліндра або зміною радіальних навантажень. Це забезпечить достатній захист від витискування ущільнення в проміжок і компенсує неспіввісність
Ущільнення складаються з трьох частин: центрального елементу ущільнювача з акрилонітрилбутадієнового каучуку (NBR) з армуванням тканиною зони рухливого контакту і двох розрізних опорно-напрямних кілець. Ущільнення TPS/G є точним аналогом ущільнення ТРМ з посадочними розмірами, співпадаючими з TPS/T.
Ущільнення типу TDE також призначене для важких умов експлуатації, і його рекомендується застосовувати разом зі штоковим ущільненням TSE-AI. Воно складається з трьох елементів: центрального елементу ущільнювача з NBR, армованого з двох сторін тканиною для виключення витискування в проміжок, і двох опорно-напрямних кілець, що виконують захисну функцію. Ущільнення встановлюють у відкриту канавку зі значним попереднім натягом. Це дозволяє гідроциліндру працювати під тиском до 50 МПа в діапазоні зміни температури від –40 до +120 °С.
Поршневе складове ущільнення типу PDE належить до важкої серії; його рекомендується застосовувати разом зі штоковим ущільненням PSE. PDE складається з п'яти елементів: центрального елементу ущільнювача багатокромки з каучуку NBR, двох підтримувальних елементів з армованого каучуку і двох опорно-напрямних кілець з поліацеталя, що виконують також функцію захисних кілець.
Ущільнення має високу зносостійкість, низький рівень залишкової деформації й підвищену надійність при тиску до 70 МПа в широкому діапазоні зміни температур.
Малогабаритні ущільнення PDH і PDP спеціально створені для високого тиску і швидкості штока до 1,5 м/c з підвищеною зносостійкістю і надійністю в широкому діапазоні робочих умов, а також з низьким рівнем залишкової деформації. Ущільнення складаються з чотирьох деталей: центрального елементу ущільнювача з політетрафторетилену, наповненого бронзою, профільного підтискного кільця з каучуку NBR і двох захисних кілець з поліацеталя. Ущільнення PDP – це економічна заміна PDH, у якого центральний елемент виготовляється з поліуретану technoland.