книги / Элементы гидравлических систем и объёмного гидропривода

не ниже, чем у ткани «доместик». Шевронные манжеты могут изготавливаться из фторопластовых заготовок, путем их механической обработки. Для увеличения прочностных характеристик уплотнения при повышенных требованиях к нагрузкам и давлениям целесообразно использовать фторопластовые шевронные уплотнения, изготовленные из композиций на основе фторопласта-4. Данный вид уплотнения предназначен для работы в условиях больших нагрузок и любых средах, за исключением расплавов щелочных металлов, трехфтористого хлора и элементарного фтора.

Шевронные манжеты применяют в комплекте с нажимным и опорным кольцами. Полный пакет уплотнения состоит из уплотнительных шевронных манжет 2, опорного кольца 1, нажимной манжеты 3 и нажимного кольца 4 (рис. 105).

Рис. 105. Уплотнение манжетное шевронное V-образное

Опорное и компрессионное кольца обычно изготавливаются из того же материала, что и уплотнительные кольца. Число шевронных манжет в пакете уплотнения зависит от давления и температуры в месте установки.

Разработано и применяется новое М-образное шевронное уплотнение (рис. 106).

Уплотнительное устройство включает в себя пакет, состоящий из специальных М-образных рабочих манжет, одной глухой (нажимной) манжеты, нажимного и опорного колец. Рабочая М-образная манжета имеет центральный выступ и два пружинистых язычка по бокам (в сечении). На наружной кромке язычков предусмотрены

261

уплотняющая и опорная поверхности; на тыльной стороне манжеты имеется паз. Конструкция нажимной манжеты аналогична, но не имеет паза. Манжеты изготавливаются преимущественно из резиноткани.

Рис. 106. Уплотнение манжетное шевронное М-образное

Эффективность уплотнения в широком диапазоне давлений обеспечивается:

•большой податливостью манжет вследствие «слабых» перемычек между центральным выступом и пружинистыми язычками;

•повышенной жесткостью пакета по оси центральных выступов, передающих нагрузку, при сохранении податливости по бокам;

•наличием у пружинистых язычков двух рабочих поверхностей, что обеспечивает не только надежное уплотнение, но и очищение от загрязнения уплотняемых поверхностей;

• оптимальным соотношением между размерами манжеты

всвободном и деформированном состояниях.

Вуплотнении обеспечено перераспределение нагрузок между манжетами, повышение долговечности нажимной манжеты и всего пакета. Из-за высокой податливости и приспособляемости к внешним нагрузкам в М-образных манжетах сила трения уменьшается в 3 раза

262

по сравнению с V-образными манжетами, что снижает теплонапряженность и энергоемкость, и повышает долговечность уплотнения.

Наиболее надежное и универсальное уплотнение поршня, способное работать при высоких температурах и держать самые высокие давления, – это уплотнение поршневыми кольцами. Оно приме-

няется для уплотнения цилиндров, работающих в среде жидкостей и газов.

Поршневое кольцо представляет собой разрезное металлическое кольцо (обычно прямоугольного сечения), устанавливаемое в канавках поршня. Диаметр кольца в свободном состоянии больше внутреннего диаметра цилиндра. При вводе в цилиндр кольцо сжимается

ипод действием сил упругости плотно прилегает к цилиндрической поверхности. В замке остается малый зазор, образованный разрезом (замком) кольца.

Поршневые кольца при работе прижимаются к стенкам цилиндра не только силами собственной упругости, но и давлением рабочей жидкости (или газа), проникающей в поршневые канавки и действующей на тыльную поверхность поршневого кольца.

Это давление может во много раз превышать давление, вызванное силами собственной упругости; оно играет основную роль в уплотняющем действии поршневых колец. Натяг колец при вводе в цилиндр является лишь предварительным условием создания этого давления. По принципу действия уплотнение поршневыми кольцами очень близко к манжетному уплотнению. Уплотняющий элемент прижимается к стенкам цилиндра силой, пропорциональной уплотняющему давлению.

Уплотнение поршневыми кольцами похоже на лабиринтное уплотнение. Кольца устанавливают в поршневых канавках с торцовым

ирадиальным зазорами, образующими ряд кольцевых полостей. Рабочая жидкость (или газ), проникающая из полости в полость при прохождении через зазоры теряет ограниченный запас потенциальной энергии, который может быть полностью рассеян в уплотнении. Давление жидкости падает, что приводит к герметизации уплотняемой полости цилиндра.

263

Для увеличения надежности уплотнения устанавливают последовательно три кольца. В уплотнениях, подверженных действию высоких давлений, количество колец доводят до 5...10 и более. Кольца устанавливают в канавках с торцовым зазором, равным 5...10 % от

высоты кольца, радиальный зазор между кольцом и канавкой должен быть в пределах 20...25 % от ширины кольца.

Зазор в замке кольца в рабочем состоянии необходим для компенсации температурных деформаций. Зазор выполняется минимальным для уменьшения перетекания жидкости через замок. Учитывается также увеличение зазора в замке с износом кольца и стенок

цилиндра. Зазор составляет (2,0...5,0) 10−3 диаметра цилиндра. Если

уплотнение работает при повышенных температурах, то учитывается удлинение кольца при нагреве.

На внутренних углах колец прямоугольного сечения выполняют фаски (0,2...0,5)×45° во избежание прилегания колец к закруглен-

ным углам поршневых канавок, а также для облегчения монтажа колец на поршень. У колец большого диаметра на наружной поверхности возможно наличие лабиринтных канавок.

Наиболее простой замок с прямым разрезом имеет недостаток, заключающийся в повышенном давлении частью кольца в месте разреза на стенки цилиндра и выработкой поверхности стенок. Это приводит к увеличению утечек через замок.

У замков с косым разрезом давление на стенки цилиндра равномернее в силу постепенного утонения концов. Уплотняющая способность таких замков выше, благодаря удлинению пути жидкости в замке. Кроме того, при заданном зазоре в плоскости смыкания кольца (тангенциальный зазор) нормальный зазор в стыке, определяющий величину перетекания жидкости, здесь меньше и равен приблизительно 0,7 от зазора замка с прямым разрезом.

Еще выше уплотняющая способность ступенчатых замков, у которых зазор в стыке теоретически равен нулю. Однако изготовление таких замков сложнее, они имеют малую прочность и легко ломаются.

264

Кольца устанавливают в поршневых канавках подвижно, поэтому при работе стыки смежных колец становятся друг против друга,

врезультате чего утечки увеличиваются. Для предупреждения этого явления поршневые кольца иногда стопорят в угловом направлении. Стыки соседних колец устанавливают диаметрально противоположно. При стопорении кольца изнашивают стенки цилиндра неравномерно, нарушая его круглую форму. У подвижных незастопоренных колец неравномерность сглаживается угловым перемещением колец в поршневых канавках во время работы. У колец с косым стыком угловое перемещение имеет регулярный характер, благодаря сдвигающим силам, возникающим в стыке при возвратно-по- ступательном движении поршня и стремящимся повернуть кольцо

вканавке.

Стопорение колец обязательно, если на стенках цилиндра имеются углубления, проточки, окна, пересекаемые кольцами при воз- вратно-поступательном движении поршня. Случайное совпадение стыка с окнами может вызвать поломку колец.

Поршневые кольца изготавливают чаще всего из качественного перлитного чугуна, отличающегося износостойкостью и высокими антифрикционными свойствами, обусловленными присутствием в структуре пластинчатого графита.

Чугунные поршневые кольца после обдирки подвергают естественному или искусственному старению при температуре

500...550 °C.

Кольца, работающие в условиях обильной смазки, изготавливают из пружинной стали, закаленной и подвергнутой среднему отпуску при температуре 350...500 °C. Стальные кольца требуют повы-

шенной поверхностной прочности стенок цилиндра.

Иногда поршневые кольца изготавливают из бронзы марок БрАНЖ или БрАМЖц, а в ответственных случаях – из бериллиевой бронзы марки БрБ2.

Чугунные кольца ответственного назначения изготовляют литьем в кокиль. Отливки получают с минимальными припусками на последующую механическую обработку.

265

При механической обработке кольцу придают необходимый профиль точением или фрезерованием. Затем делают прорез, сжимают и в таком состоянии шлифуют поверхности на размер.

После отделочных операций кольца подвергают притирке в эталонном цилиндре. Точность прилегания колец проверяют просвечиванием щели между наружной поверхностью кольца и стенками эталонного цилиндра. Нормы допустимого просвета устанавливают в зависимости от назначения колец. Для точных колец допустим просвет не более 0,01 мм.

Кольца ответственного назначения проверяют на равномерность радиального давления с помощью электропьезометрических или электромагнитных приборов с построением полярной диаграммы давлений.

Для увеличения износостойкости и срока службы колец рабочую поверхность поршневых колец хромируют. Хромовое покрытие отличается очень высокой твердостью, жаростойкостью, низким коэффициентом трения и противозадирными свойствами.

Материал хромированных колец не имеет такого большого значения, как материал нехромированных колец. Это позволяет применять для изготовления хромированных колец высокопрочный модифицированный чугун с шаровидным графитом и сталь.

Кроме того, применяют хромирование зеркала цилиндра, что дороже хромирования колец. Однако этот способ открывает возможность изготовления цилиндров из алюминиевых сплавов, отличающихся высокой теплопроводностью, что имеет особое значение для цилиндров, работающих при повышенных температурах.

Повышение износостойкости поршневых колец достигается также оксидированием, фосфатированием, диффузионным силицированием или хромированием, алитированием и сульфидированием.

Для ускорения приработки кольца подвергают гальваническому лужению, кадмированию или омеднению.

Кольца, работающие при умеренных температурах, покрывают тонким слоем синтетической смолы (эпоксиды) или фторопластов с примесью графитного или металлического порошка.

266

Кольца поршневые цилиндров для станочных гидроприводов изготавливают согласно ОСТ 2 А54-1–72.

Представленные системы уплотнений существенно повышают качество гидроцилиндров и отвечают современным требованиям эксплуатации.

В некоторых гидроаппаратах целесообразно использование щелевых уплотнений, в которых отсутствуют специальные уплотняющие элементы, а также отсутствует контакт между уплотняемыми цилиндрическими поверхностями. Щелевое уплотнение представляет собой гладкую щель между двумя цилиндрическими поверхностями, но может иметь и более сложную форму лабиринта. Этот тип уплотнения применяется в погружных насосах, когда необходимо обеспечить меньший износ и продолжительный срок работы насоса при увеличенных утечках из-за сложности демонтажа насоса для ремонта.

Принцип работы уплотнений этого типа заключается в дросселировании жидкости в зазорах и щелях. Щелевые лабиринтные уплотнения могут быть использованы практически при любых рабочих давлениях, окружных скоростях и температурах перекачиваемой жидкости. Сопротивление движению уплотняемой среды гарантировано конструкцией в виде совокупности элементарных щелевых уплотнений, разделенных гидравлическими затворами

иразгрузочными камерами. Поддерживаются такие перепады давления и температура в элементах, при которых обеспечиваются заданное значение утечек и высокая долговечность уплотнения (25 000 ч

иболее).

Несмотря на то, что работа этих уплотнений сопровождается относительно большими потерями энергии (утечки достигают 4,0...5,0 % и до 10 % от расхода), они находят широкое применение

в насосах. Радиальный зазор в щелевых уплотнениях в насосах обычно принимается равным 0,30...0,35 мм. При таком значении за-

зоров уплотнения чувствительны к попаданию в дроссельную щель твердых частиц, поэтому на подводах в гидрозатворы уплотне-

267

ний устанавливаются сдвоенные фильтры с тонкостью фильтрации

0,1...0,2 мм.

Для обеспечения минимальных перетечек в уплотнениях стремятся свести к минимуму перепады давлений между подводимой в гидравлический затвор холодной и запираемой горячей водой. Для этого устанавливают специальные регуляторы перепада давлений, поддерживающие перепады 0,05...0,15 МПа и менее. Иногда регу-

лирование протечек осуществляется по импульсу от температуры слива воды из уплотнений. Применяя в современных насосах щелевые уплотнения, для исключения заклинивания ротора необходимо не допускать касания поверхностей уплотнения, что обеспечивается тщательной центровкой насосов и правильным режимом пуска.

Уплотнения с плавающими кольцами применяются при ок-

ружных скоростях до 40 м/с, однако эти скорости не являются пре-

дельными. Высокие температуры и давления не ограничивают применения этих уплотнений. Утечки в этом уплотнении больше, чем в торцовом уплотнении, но меньше, чем в щелевом или сальниковом уплотнении.

Уплотнения с плавающими кольцами можно рассматривать как совокупность двух уплотнений – торцового и щелевого. При этом они отличаются от торцового уплотнения тем, что в них отсутствует относительное вращение контактирующих пар (от проворачивания плавающие кольца фиксируются направляющими штифтами или шпонками). В радиальном зазоре осуществляется дросселирование жидкости. Образуется уплотнение, которое можно рассматривать как самоцентрирующееся щелевое.

Так же как и в щелевых уплотнениях, в них практически отсутствует механическое трение. Для уменьшения износа торцовых поверхностей в некоторых типах насосов применяют подвод к ним очищенной воды. Материалы для плавающих колец должны быть эрозионно-стойкими, обладать антифрикционными свойствами. В настоящее время нет надежных методов расчета плавающих уплотнений, поэтому применение такого уплотнения требует опытной проверки.

268

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Совершенствование эксплуатируемых и создаваемых вновь объемных гидравлических приводов обусловлено в первую очередь развитием их элементной базы, построенной с использованием современных гидроаппаратов, электронных блоков управления и контроля.

Взаимная интеграция отечественного и импортного гидрооборудования позволяет расширять номенклатуру гидроаппаратов, увеличивать число типоразмеров в соответствии с потребностями различных отраслей промышленности, внедрять унификацию и стандартизацию элементов гидропривода.

Повышение быстродействия объемных гидроприводов требует создания гидроаппаратов на большие расходы, а повышение энергонапряженности – разработки элементов гидроавтоматики на высокие давления.

Внедрение высокоточного оборудования с автоматическим управлением вызывает необходимость использования пропорциональных гидроаппаратов, в том числе на базе серийно выпускаемой продукции. Проектирование и изготовление современной гидроаппаратуры невозможно без применения прогрессивных методов автоматического проектирования, контроля и испытания изделий гидроавтоматики.

Постоянно расширяется ассортимент рабочих жидкостей для гидроприводов, улучшаются их физико-химические показатели, ведется поиск экологически безопасного сырья для их производства.

Снижение массогабаритных характеристик гидроаппаратов приводит к уменьшению рабочих зазоров в сопрягаемых деталях и повышению требований к чистоте рабочих жидкостей, что требует совершенствования фильтров для гидроприводов.

Повышение КПД гидроприводов невозможно без применения качественных уплотнительных элементов, разработки и внедрения новых конструкций уплотнителей и использования прогрессивных материалов для их изготовления. Улучшение элементной базы объемных гидроприводов – одна из актуальных задач современного гидромашиностроения.

270