Ущільнення - найважливіший компонент гідравлічної конструкції

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.

Історія розробки гідравлічних ущільнень

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.

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 управління 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. Одно із загальних вимог, що пред'являються до ущільнень, - це компактність. Кільцеві ущільнення малогабаритні, проте забезпечують прийнятну міру надійності й довговічності й водночас характеризуються малими втратами на тертя. Сьогодні застосовуються кільця різних профілів - кругле, овальне, прямокутне, Х-подібне, пилкоподібне.

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- подібного 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 +120C. 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 й 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 гумовофторопластмасові, гумотканинні й інші ущільнення. Нині існує понад 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.

Види сучасних гідравлічних ущільнень і їх застосування

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 - Merkel, Simrit, Parker, Hansa Flex та ін. В нашій країні освоїли випуск подібних манжет підприємства RGC і "Елконт".

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 та 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.

Манжета (від франц. manchette - рукавець) - деталь ущільнювача 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.

Сальниковий пристрій, або сальникове ущільнення, - один з видів облаштувань ущільнювачів рухливих з'єднань. Назви "Сальникове набивання", "сальник", "сальниковий вузол" та ін. збереглися з тих часів, коли для ущільнення в цих пристроях використовувалося просочене жиром прядиво або повсть.