Про вплив ущільнень на надійність гідроприводу

Одні з важливих компонентів будь-якого гідроприводу - ущільнення нерухомих і рухливих деталей, навантажених тиском робочої рідини. Якщо ущільнення розділяє порожнини високого і низького тиску якого-небудь гідравлічного пристрою і таким чином запобігає внутрішнім перетікання робочої рідини, то підвищується к.к.д. машини, менше нагрівається робоча рідина, зберігається швидкість виконавчих органів. Якщо ущільнення відділяє яку-небудь порожнину гідроапарату від атмосфери, то воно запобігає зовнішнім витокам, які окрім втрат робочої рідини завдають шкоди екології, що у низці випадків абсолютно неприпустимо.

Гідравлічні ущільнення встановлюють в спеціальні канавки на поверхнях деталей, що сполучаються, наприклад, на площинах роз'ємів (торцеві ущільнення) або на циліндричних поверхнях тіл обертання (радіальні ущільнення). Геометричні розміри канавок і шорсткість поверхонь, що утворюють канавку, регламентуються відповідними стандартами на ущільнення. Контроль дотримання цих стандартів при виготовленні гідравлічних пристроїв забезпечує надійність виробу. Разом з підвищенням рівнів робочого тиску і швидкості відносного переміщення рухливих деталей підвищується і роль ущільнень в забезпеченні надійності машини з гідроприводом.

Вплив ущільнень на надійність гідроприводу

Перші роки застосування гідроприводу у будівельних машинах, коли робочий тиск не перевищував 6 МПа і навіть коли він досягав 10 МПа, необхідну герметичність забезпечували гумові кільця круглого перерізу (ДЕСТ 9833-73) або прямокутного. Для ущільнення рухливих деталей частіше використовувалися гумові манжети (ДЕСТ 14896-84). Гумове ущільнення працює таким чином. При монтажі ущільнення в канавку воно дещо деформується, оскільки глибина канавки менше товщини ущільнення (діаметру поперечного перерізу). У напрямі деформації обираються усі проміжки між ущільнюваними поверхнями, ущільнення притискається з деяким зусиллям. При включенні пристрою в роботу тиск рідини притискає ущільнення до стінки канавки в напрямі, перпендикулярному первинній деформації, і прагне видавити ущільнення в проміжок між деталями, що сполучаються.

Гумове ущільнення поводиться як дуже в'язка рідина. Якщо в ущільненні виникає напруга, достатня для зрушення матеріалу і витискування його в проміжок аж до механічного руйнування, герметичність з'єднання порушується з усіма витікаючими наслідками. Надалі зі збільшенням тиску в гідроприводі до 16, 25 і 32 МПа, що виправдано зменшенням габаритів і маси усіх гідроапаратів, вимоги до гідравлічних ущільнень значно зросли. В якості матеріалу ущільнень стали застосовувати різні полімери, фторопласт, поліуретан, поліефіри та ін., модуль пружності яких у багато разів вище, ніж гуми, а коефіцієнт тертя по сталі у декілька разів менше. Важливість низького коефіцієнта тертя обумовлена не лише тим, що скорочуються втрати енергії на механічне тертя і збільшується к.к.д. машини, але і подовжується життя ущільнення. Особливо це важливо у виробах, в яких потрібні високі відносні швидкості ущільнюваних поверхонь, наприклад, в гідравлічних молотах. У цих машинах швидкість ковзання ущільнень бойка досягає 8-9 м/с. При великих швидкостях ковзання ущільнень, навантажених високим тиском, на робочих кромках ущільнень в обмеженому просторі виділяється велика кількість тепла, що може призвести до виникнення критичних температур. Щоб забезпечувалася працездатність ущільнень в екстремальних умовах, матеріал ущільнення повинен мати досить високу теплопровідність, тоді тепло, що виділяється на робочих кромках, встигне розсіятися в довкіллі. З цією метою ущільнення виготовляють з композитних матеріалів на основі фторопласту з металевими й коксовими наповнювачами. Зниженню сил тертя між ущільненням і ущільнюваною рухливою деталлю і продовженню ресурсу ущільнення сприяє висока чистота обробки поверхні деталі, що треться, що досягається шліфуванням, поліруванням і нанесенням гальванічного покриття або епіламу. На перших зразках гідромолотів, розроблених в 1970-х рр., була зроблена спроба застосувати ущільнення, запозичені з авіаційної промисловості. Ці ущільнення були комбінацією з фторопластової манжети, в поперечному перерізі схожої на швелер, в яку монтується гумове кільце круглого перерізу. Гумове кільце забезпечувало попереднє притискання манжети до штока. Ковзання манжети по штоку відбувалося довгою стороною швелера, товщина якої складала всього 0,2 мм Виявилось, що чистота поверхні ущільнюваного штока після шліфування не забезпечувала достатню довговічність манжети, яка протиралася наскрізь досить швидко.

Нині з великим успіхом застосовуються комбіновані ущільнення (мал. 1), в яких полімерна манжета (ущільнююче кільце) також притискається до штока гумовим кільцем круглого перерізу, але товщина манжети складає 2-2,5 мм, а на її ущільнюючій поверхні виконаний виступ - зубчик. Манжета входить в контакт зі штоком спочатку спеціальним зубчиком, а не усій своїй поверхні. Досить висока контактна напруга в області зубчика забезпечує високу герметичність, а низький коефіцієнт тертя і теплопровідність матеріалу манжети дозволяють застосовувати такі ущільнення, як стверджують фірми-виготівники, при швидкості ковзання до 10-15 м/с при тиску робочої рідини 20-40 МПа залежно від проміжку між ущільнюваними деталями. Подібні ущільнення роблять багато зарубіжних фірм, наприклад Busak - Shamban, Hansa Flex, Polypac, Parker, Merkel, Simrit та ін. У Росії такі ущільнення виготовляє Група компаній "ЕЛКОНТ" і ТОВ "ЭрДжіСі-Трейд" (торгова марка RGC). Зазвичай фірми-виготівники рекомендують встановлювати послідовно два такі ущільнення, пояснюючи це тим, що нібито невелика кількість рідини, що просочилася через перше ущільнення, затримується другим ущільненням і повертається знову в гідросистему при скиданні тиску. Проте, на думку автора, таке твердження переслідує лише мету збільшити продажі. Послідовне встановлення другого ущільнення будь-якої конструкції з будь-якого матеріалу тільки збільшує втрати на тертя, але не призводить до помітного збільшення надійності вузла ущільнення. Досвід показує: встановлення тільки одного ущільнення забезпечує потрібну герметичність і надійність цього вузла. У разі встановлення двох ущільнень є сенс простір між ними з'єднати з лінією зливу, щоб забезпечити хороше мастило другого ущільнення і створити більше щадні умови його роботи (низький тиск). Тоді після вичерпання ресурсу першого ущільнення, навантаженого робочим тиском, коли воно вже не забезпечує абсолютну герметичність, друге ущільнення, навантажене тільки низьким тиском зливної лінії, дозволить подовжити працездатність машини ще на якийсь час, можливо, з деяким зменшенням об'ємного к.к.д., що візуально відчуватися не буде.

Велике значення для забезпечення надійності ущільнень має захист їх від піків тиску, які можуть виникати в демпферних камерах у кінці ходу циліндрів, що переміщають великі маси з великою швидкістю. Швидке гальмування у кінці ходу циліндра викликає істотне підвищення тиску в демпферній камері в порівнянні з номінальним робочим тиском. Авторові представляється доцільним організувати захист ущільнень таким чином. Між канавкою, в якій розміщено ущільнення штока, і демпферною камерою циліндра необхідно передбачити в опорній втулці розвантажувальну канавку, сполучену з напірною лінією. В цьому випадку епюра тиску в проміжку між опорною втулкою і штоком лінійно змінюватиметься від підвищеного тиску в демпферній камері до робочого тиску в розвантажувальній канавці. Отже, ущільнення буде навантажено тиском, рівним тиску в розвантажувальній канавці, тобто номінальним робочим тиском. Можна, звичайно, розвантажувальну канавку з'єднати з лінією зливу, але тоді у разі, коли демпфування не відбувається, а порожнина циліндра навантажена робочим тиском, частина витрати робочої рідини непродуктивно йтиме через розвантажувальну канавку на злив, зменшуючи к.к.д. машини.

У 1980-і рр. в Сибірському автомобільно-дорожньому інституті для герметизації гідравлічних пристроїв, працюючих при тисках робочої рідини, вимірюваних десятками мегапаскалів, були розроблені експериментальні металеві ущільнення штоків, що пружно деформувалися. Таке ущільнення було тонкостінною металевою циліндричною оболонкою певної довжини, виконаною з бронзи або іншого матеріалу з низьким коефіцієнтом тертя по сталі. Один кінець оболонки, обернений у бік низького тиску, жорстко і герметично був сполучений з направляючою втулкою штока. Товщина оболонки складала 0,3-0,6 мм, а проміжок між штоком і ущільненням (оболонкою) - до 0,04 мм. В роботі на зовнішню поверхню оболонки діє рівномірно розподілений за довжиною оболонки тиск Різб. При малих значеннях цього тиску зсередини на стінку оболонки діє регресний за довжиною проміжку початковий тиск Р1 поч. Результуючий тиск лінійно зростає від вільного кінця до основи оболонки (мал. 2). Стінка оболонки пружно деформується під тиском рідини. Найбільша деформація досягається поблизу основи оболонки. Проміжок зменшується зі зростанням надмірного тиску аж до контакту з ущільнюваним штоком. Стендові випробування металевого пружно-деформованого ущільнення показали, що досягається значно вища герметичність пари, що треться, в порівнянні з безконтактним щілинним ущільненням (притертою парою з діаметральним проміжком 0,015-0,020 м). Працездатність ущільнення вимірювалася мільйонами циклів вантаження. На жаль, наскільки відомо авторові, відсутність відпрацьованої технології виготовлення і зацікавленості промислових підприємств, а також інформаційної підтримки не дозволило авторам розробки впровадити її в серійне виробництво.

Як запобігти знос гідравлічних ущільнень

Оскільки будь-який вихід з ладу гідравлічних ущільнень вимагає перерв в експлуатації машини з гідроприводом для їх заміни, часткового розбирання якихось вузлів, очевидна важливість цього компоненту для забезпечення надійної роботи виробу. Ще на стадії проектування важливо правильно оцінити умови роботи ущільнення: максимальний тиск робочої рідини, у тому числі від можливих реактивних і інерційних навантажень, швидкості ковзання, температурний режим і потім підібрати за каталогами відповідне ущільнення. Необхідно забезпечити конструктивними методами захист ущільнень від піків тиску, які можуть виникнути в нештатній ситуації. Далі при виготовленні виробу потрібно забезпечити дотримання технічних вимог, що пред'являються до місць встановлення ущільнень, і, нарешті, в експлуатації дотримуватися вимог, наказаних в керівництві з експлуатації на відповідний виріб. Для успішної експлуатації машини з гідроприводом доцільно мати під рукою так званий ремкомплект, що містить усю номенклатуру ущільнень, вживаних в цій машині.