книги / Элементы гидравлических систем и объёмного гидропривода

вого зазора. Карманы расположены на поверхности скольжения одного из колец, от середины кольца к внешнему краю кольца со стороны затворного газа. При вращении кольца происходит нагнетание затворного газа в промежуток кармана, что приводит к образованию зазора и к бесконтактному газовому скольжению с минимальными потерями на трение и износ уплотнения. При этом потребляемая мощность минимальна: приблизительно на 95 % меньше, чем для

смазываемых жидкостью уплотнений. В качестве затворного газа применяется технический воздух или азот под давлением, превышающим давление рабочей среды на 5...10 %.

Газовый затвор идеально подходит для работы с жидкостями, кипящими при низких температурах для обеспечения чистоты производственного процесса, так как полностью исключаются утечки.

Еще до недавнего времени газовые уплотнения ассоциировались, главным образом, с компрессорами. В промышленности с их помощью сегодня можно герметизировать самое разнообразное оборудование, например насосы для перекачивания жидкостей, в том числе содержащих твердые частицы или обладающих плохими смазывающими свойствами (углеводороды). Газовое уплотнение применяется в качестве аварийного дополнительного уплотнения. Целесообразна установка газовых уплотнений для медленно вращающихся валов смесителей и реакторов химических и фармацевтических производств, где используются стерильные технологии или где необходимо исключить попадание утечек затворной жидкости в продукт.

Газовые уплотнения удовлетворяют самым жестким нормам по выбросам вредных веществ, они очень экономичны вследствие низких капитальных затрат, повышенного срока службы и небольших эксплуатационных расходов.

Для смазывания и охлаждения многосекционных уплотнений не требуется дорогостоящих установок подачи затворной жидкости. Давление затворного газа, превышающее давление продукта на 5...10 %, препятствует утечке рабочей среды. Небольшая высота за-

зора между поверхностями скольжения позволяет минимизировать

251

расход затворного газа, который в значительной степени зависит от давления, скорости вращения и диаметра уплотнения.

Температура перекачиваемой среды колеблется от −170 до 500 °C, давление составляет 0,2...35 МПа, окружная скорость – до 200 м/с, частота вращения вала – до 10 000 об/мин.

Уплотнения гидроцилиндров должны быть достаточно герметичными, надежными, удобными для монтажа, создавать минимальный уровень трения, иметь небольшие размеры и совместимость с рабочей жидкостью.

Наибольшее распространение в неподвижных соединениях гидроцилиндров в качестве уплотнителей получили резиновые кольца круглого сечения вследствие исключительной простоты конструкции.

Кольца резиновые уплотнительные круглого сечения для гидравлических и пневматических устройств по ГОСТ 18829–73 предназначены для работы при температуре от −60 до 200 °C в минераль-

вижные соединения и до 32 МПа – подвижные соединения. В таком же диапазоне температур резиновые кольца применяются до 40 МПа

внеподвижных соединениях и до 10 МПа в подвижных соединениях

всреде сжатого воздуха.

Линейная скорость выходного элемента гидродвигателя не превышает 5 м/с в любой указанной рабочей среде.

Кольца изготавливаются (по ГОСТ 9833–73) сечениями: 1,4; 1,9; 2,5; 3,0; 3,6; 4,6; 5,8; 8,5 мм; из резины различных типов в зависимости от рабочей температуры; двух групп точности: 1 – для подвижных соединений; 2 – для подвижных и неподвижных соединений.

Пример условного обозначения кольца: «Кольцо 020×025-30-2-2 ГОСТ 18829–73, где 020 – внутренний диаметр; 025 – наружный диаметр; 30 – сечение; 2 – группа точности; 2 – группа резины».

Рабочее давление уплотнения зависит от метода монтажа, плотности посадки, материала уплотнения, уплотняемой среды и темпе-

252

ратуры. Под давлением кольца деформируются, вдавливаются в зазор в месте стыка уплотняемых поверхностей и приходят в негодность. Поэтому для изготовления колец используется каучук повышенной твердости, что малоэффективно при низком давлении из-за необратимой деформации. Более приемлемым решением будет применение резинового кольца в комбинации с опорными кольцами.

Кольца защитные из фторопласта и углепластика для гидравлических устройств (рис. 100) предназначены для предохранения уплотнительных резиновых колец и манжет от выдавливания резины в зазор при рабочих давлениях свыше 10 МПа.

Рис. 100. Кольца защитные (опорные)

Взависимости от давления рабочей среды и температуры защитные кольца из фторопласта и углепластика для гидравлических устройств должны быть изготовлены из композиций на основе полиамидов и фторопласта-4.

Допускается применять защитные кольца из других материалов при условии обеспечения их стойкости к рабочим средам и защиты уплотнителя от затягивания в зазор.

Защитные кольца изготавливаются цельными, разрезными или спиральными. Для манжет защитные кольца изготавливаются плоскими или конусными с внутренним или наружным конусом.

Всоответствии с ГОСТ 9833–73 кольца защитные из фторопласта и углепластика для гидравлических устройств рекомендуется устанавливать с резиновым кольцом со стороны, противоположной направлению давления, а при двухстороннем давлении – с обеих сторон уплотнительного кольца.

Всоответствии с ГОСТ 14896–84 защитные кольца из фторопласта и углепластика для гидравлических устройств рекомендуется

253

устанавливать с резиновой уплотнительной манжетой со стороны плоской поверхности манжеты.

При этом конусные защитные кольца с наружным конусом устанавливаются на шток, а с внутренним конусом – на поршень гидравлического устройства. При установке неразрезных защитных колец из жестких материалов на основе полиамида рекомендуется предварительно подержать кольцо в горячей воде для придания эластичности, однако следует иметь в виду, что чрезмерный разогрев может привести к большой усадке кольца после остывания.

Разрез на разрезных кольцах выполняется под углом 30° или 45° по отношению к плоскости кольца. При необходимости неразрезное кольцо можно разрезать острым ножом, при этом движение должно быть сверху вниз.

Уплотнение штока должно сохранять уплотняющую способность в условиях постоянного перепада давления, которое нередко сопровождается чередованием низких и высоких температур. При этом на поверхности штока необходимо сохранить тонкую смазочную пленку, способную проходить сквозь зазор грязесъемной манжеты. Кроме обычного износа и старения, такое уплотнение подвержено непосредственному воздействию дефектов поверхности штока. В некоторых случаях утечка через уплотнение штока может приводить к авариям и загрязнению окружающей среды. Поэтому к уплотнению штока предъявляются наиболее жесткие технические требования, а от эффективности уплотнения зависит функциональность всего гидравлического цилиндра в целом.

Главное требование, предъявляемое к уплотнению поршня, – это надежная работа на протяжении всего срока службы. Выбор типа уплотнения зависит от характера работы цилиндра, его геометрических размеров, величины давления, линейной скорости, рабочей жидкости и других параметров.

Назначением направляющих колец (рис. 101) и направляющих полос из пластиковых материалов является направление поршня и штока в работающем гидроцилиндре. Они должны также воспринимать возникающие боковые нагрузки и препятствовать возникно-

254

собны при температуре от −35 до 80 °C. Условное обозначение:

манжета 40×60, где 40 – внутренний диаметр, мм; 60 – наружный диаметр манжеты, мм.

Манжеты резиновые (ГОСТ 6678–72) предназначены для уплотнения цилиндров и штоков пневматических устройств работающих при давлении 0,05...1,0 МПа, со скоростью возвратно-поступатель-

ного движения до 1,0 м/с и температуре от −30 до 100 °C. Манже-

ты изготавливаются двух типов: тип 1 – для уплотнения цилиндра; тип 2 – для уплотнения штока. Условное обозначение: манжета 2-040-3 – манжета для уплотнения штока диаметром 40 мм, где 2 – тип манжеты; 040 – диаметр штока, мм; 3 – группа резины.

Впоследнее время широкое распространение получают более прогрессивные системы уплотнений гидроцилиндров.

Вдополнение к фигурному резинотканевому поршневому уплотнителю, по бокам которого установлены фасонные опорные кольца, вводят примыкающие опорно-направляющие кольца из стеклонаполненного полимера. Этот компактный уплотнительный узел

устанавливается в простую по геометрии посадочную канавку с нежесткими допусками. Уплотнение штока состоит из опорнонаправляющего (компенсационного) кольца, уплотняющего фасонного резинотканевого кольца совместно с опорным кольцом и резинового грязесъемника. Срок службы таких уплотнений составляет

20 лет.

Поршневое уплотнение для более тяжелых условий работы содержит опорно-направляющее кольцо из фенолоальдегидного полимера и специального уплотнения, состоящего из фторопластового динамического уплотнительного элемента, усиливающего элемента из специальной резины и двух опорных колец. Такие высокоэффективные уплотнения применяются при давлении до 60 МПа, требуют

незначительных размеров посадочных канавок и легко собираются в моноблочном поршне. Штоковый уплотнительный узел в этом случае содержит опорно-направляющее, буферное и уплотнительное кольца, а также грязесъемник. Буферное кольцо включает в себя

257

круглый фасонный элемент из фторопласта и круглое подпорное резиновое кольцо. Буферное кольцо служит для компенсации скачков давления в полостях гидроцилиндра. Это кольцо существенно увеличивает срок службы уплотнения штока и повышает его надежность. Уплотнительное U-образное манжетное кольцо выполняется из полиуретана. Грязесъемник изготавливается из полиуретана с металлическим армированием.

Улучшения характеристик уплотнительных и опорных элементов можно достигнуть переходом от резиновых или резинотканевых уплотнений и металлических опорных втулок, к улучшенным пластмассовым втулкам. Основным типом таких уплотнений для гидроцилиндров являются неразрезные уплотнительные кольца из полимерных и композиционных материалов с поджимными кольцами из резины.

Более мягкая, чем у металлов, поверхность пластмассовых опор поглощает частицы загрязнений, исключая их заклинивание в зазорах пары трения, образование задиров и царапин на рабочих поверхностях штока и поршня цилиндра. Обеспечивается дополнительное их полирование, что увеличивает, например, ресурс работы уплотнений гидродомкратов с полиамидными опорами в 10...15 раз по сравнению с бронзовыми.

Пластмассовые уплотнения, состоящие из неразрезного скользящего кольца и поджимного резинового или стального элемента, превосходят традиционные резиновые уплотнения по всем качественным показателям. В отличие от резиновых колец и манжет пластмассовые уплотнения данного типа для штоков имеют значительно меньшие утечки при движении и сохраняют высокую герметичность при скоростях скольжения до 10 м/с и давлении до 50 МПа. Это

связано с тем, что их рабочие жесткие кромки меньше деформируются под давлением, сохраняя асимметричную начальную форму. Обеспечивается насосный эффект, препятствующий выносу штоком масляной пленки за пределы уплотнительного узла. При этом благодаря многокромочной конфигурации пластмассовые уплотнения

258

не уступают по герметичности более мягким резиновым уплотнениям и при работе на маловязких жидкостях.

Использование пластмасс на базе фторопласта и полиэтилена позволяет многократно уменьшить силы трения в уплотнениях, особенно при страгивании после длительной стоянки гидроцилиндра, а также обеспечить их работу на маловязких жидкостях с плохой смазывающей способностью и в пневмоцилиндрах без смазки. Снижению сил трения в пластмассовых уплотнениях способствует применение мягких резин для поджимных колец и кромочная конфигурация скользящей поверхности, позволяющая реализовать эффект снижения сил трения пластмасс с ростом контактного давления.

Повышенная прочность и жесткость пластмассовых уплотнений обеспечивает им сохранение работоспособности в соединениях с зазорами до 0,3 мм при давлении до 25...40 МПа без дополнительных

защитных колец, что уменьшает их осевые размеры и снижает силу трения. Более высокая, чем у резин, износостойкость пластмасс определяет многократное повышение ресурса уплотнения, особенно в условиях повышенных скоростей и давлений.

Высокая безотказность пластмассовых уплотнений связана с тем, что они, в отличие от резиновых колец круглого сечения, не подвержены спиральному скручиванию и не теряют герметичности, как манжеты при воздействии тыльного давления. Малые осевые размеры и возможность монтажа в неразъемные посадочные канавки позволяет установить в уплотнительные узлы несколько пластмассовых уплотнений, обеспечивая их многократное резервирование. Благодаря высокой прочности и износостойкости, пластмассовые уплотнения могут одновременно выполнять и функцию внешней грязезащиты опорно-уплотнительного узла. При этом они лучше и дольше резиновых грязесъемников защищают опорно-уплотнительный узел штока гидроцилиндра, так как работоспособны в условиях ограниченной смазки. При этом со штока удаляется не только пыль, но и ледяная корка с примерзшими твердыми частицами. В гидрошарнирах и гидроколлекторах, работающих при скорости скольжения до 0,2 м/с и давлении до 40 МПа, применение пластмассовых уплот-

259

нений вместо резиновых колец с двумя защитными кольцами кроме уменьшения моментов трения и увеличения ресурса и безотказности позволяет существенно сократить осевые размеры этих устройств. Этому же способствует наличие на пластмассовых элементах уплотнений собственных заходных фасок.

Для уплотнений, работающих при повышенных скоростях и температурах или при необходимости получения минимальных сил трения, используется композиция Ф4К15M5. Сшитый полиэтилен РЕХ рекомендуется для легких условий эксплуатации.

Основным материалом для опорных колец является композиция полиамида с углеволокном. Опорные кольца из этого материала работоспособны при давлении до 5,0...30 МПа. В случае необходимо-

сти работы без смазки могут применяться опорные кольца из коксонаполненного фторопласта при давлении до 2,5 МПа. Для увеличе-

ния допустимой контактной нагрузки до 100 МПа (при малых

скоростях скольжения) используются опорные кольца из стеклонаполненного полиамида.

Серийные поджимные резиновые кольца изготавливаются из высококачественной маслобензостойкой резины, имеющей высокую морозостойкость (−50 °C) и минимальное накопление остаточных

деформаций при температурах до 100 °C.

Для гидравлических устройств находят применение шевронные уплотнения. Манжеты шевронные (ГОСТ 22704–77) применяются для уплотнения штоков и цилиндров диаметром до 2,0 м, работают

при давлении до 63 МПа, со скоростью возвратно-поступательного движения 3,0 м/с, в среде минеральных масел, нефти, пресной

и морской воды, водных эмульсий при температуре от −50 до 100 °C (кратковременно до 120 °C).

Уплотнения устанавливаются в комплекте из нескольких манжет. Для изготовления уплотнений применяются ткани «доместик» по ГОСТ 1104–69 или промазанные резиновой смесью хлопчатобумажные комбинированные ткани, имеющие прочностные показатели

260