Торцевые уплотнения

Конструкция. Торцевые уплотнения служат для герметизации соединений с поверхностями, перпендикулярными к оси вращения вала {рис. 152).

Они имеют множество модификаций в зависимости от контактирующих разнообразных жидкостей и газов, используемых в технике, при температуре от —200 до +1000° С, давлении от глубокого вакуума до 20 МПа и окружных скоростях до 100 м/с. Объединяет их, однако, общий принцип действия и конструкционные особенности [I, 30, 65, 101, 104, 157, 158].

Торцевое уплотнение (рис. 153) состоит из кожуха, скользящего кольца, эластичной рубашки и спиральной пружины, ко-

Рис. 152. Торцевое уплотнение AXIA типа ААН в водяном насосе двигателя внутреннего сгорания с диаметром вала 16 мм и частотой вращения 6500 мин-1 [30]

торая прижимает скользящее кольцо к уплотняемой поверхности опорного кольца. Момент трения, возникающий на скользящих поверхностях, обычно воспринимается кольцом с пазом, неподвижно закрепленным в кожухе, что предотвращает вращательное движение скользящего кольца при сохранении возможности осевых передвижений.

Различают два основных типа уплотнений: неподвижно посаженные в кожухе (рис. 152, 154 и 155); неподвижно посаженные на вал (рис. 156). В первом случае уплотнение установлено в гнездо неподвижного кожуха, в то время как вал свободно вращается

в уплотнении, а вместе с валом и вся уплотняемая торцевая поверхность опорного кольца. Уплотнение этого типа может использоваться с валами, имеющими диаметры меньше номинального диаметра уплотнения. Во втором случае уплотнение устанавливается на вал и вращается вместе с ним.

Рассматривая идеальную схему торцевого уплотнения, изображенную на рис. 157, в которой подвижное кольцо прижимается силой Ps, создаваемой пружиной, к неподвижному кольцу, и принимая следующие обозначения: Ps— сила, создаваемая пружиной; Рс— сила, создаваемая давлением рабочей жидкости; Р — осевая сила, действующая на скользящие поверхности; Ph — сила действия жидкости в зазоре между скользящими поверхностями; Т — сила трения между валом и уплотняющим кольцом, возникшая при осевом движении; F — площадь поверхности стыка скользящего и опорного колец; Fc — площадь поверхности скользящего кольца, на которую воздействует давление рабочей жидкости; р — давление рабочей жидкости, можно рассчитать суммарную аксиальную силу Р, прижимающую скользящее кольцо к опорному кольцу, по следующей формуле:

Рис. 153. Детали торцевого уплотнения:

1 — паз; 2 — скользящая поверхность; 3 — вал; 4 — опорное кольцо; 5 — уплотнение опорного кольца; 6 — гнездо; 7 — скользящее кольцо; 8 — подкладка пружины; 9 — прижимная пружина; 10 — кожух; 11 — гнездо; 12 — донышко корпуса; 13 — спиральная пружина; 14 — эластичная рубашка; 15 — мембрана

В особых случаях (рис. 158), когда сила Рс действует в противоположном с прижимной пружиной направлении, а сила 7=0,

Сила Р должна всегда быть несколько больше расчетного значения, в противном случае произошел бы отрыв поверхности скользящего кольца от поверхности опорного кольца, что привело бы к утрате герметичности.

Когда площадь поверхности „(рис. 159), уплотнение определяют как гидравлически нагруженное, когда же < F, — как гидравлически разгруженное. Отношение называется коэффициентом гидравлической нагрузки уплотнения. Для практических расчетов его принимают равным 0,6—0,9.

юз/

Рис. 154. Торцевое уплотнение АХIА типа ААМ в водяном насосе двигателя внутреннего сгорания с диаметром вала 15 мм и частотой враш$. нр 7000 мин"1 {30)

Рис. 157. Схема торцевого уплотнения:

1 — уплотняющее кольцо; 2 — неподвижное кольцо; 3 — подвижное кольцо; 4 —■ корпус; 5 — вал

Рис. 155. Торцевое уплотнение АХIА типа AAL в водяном насосе двигателя внутреннего сгора-цт с диаметром вала 15 мм и частотрй враще» тп 4509 мин-1 [30]

Рис. 158. Торцевое уплотнение в случае, когда сила, вызванная давлением рабочей жидкости, действует в направлении, противоположном действию прижимной пружины

Рис. 156. Торцевое уплотнение AXIA типа AAG в коробке передач с диаметром вала 40 мм и частотой вращения 800 мин"1 [30]

Сила трения Т может менять как свое абсолютное значение, так и направление в зависимости от величины деформации элемента, уплотняющего скользящее кольцо на вале, условий движения, температуры и т. п. По истечении известного времени, необходимого для притирки торцевого уплотнения, устанавливается состояние равновесия и скользящее кольцо подвергается столь незначительным перемещениям, что их практически можно не принимать во внимание. Силой трения в этом случае пренебрегают, т. е. Т = 0.

Тогда среднее удельное давление на скользящих поверхностях между скользящим и опорным кольцами будет составлять:

Допуская, чтоа также

чтосреднее удельное давление на скользящих поверх

ностях можно выразить формулой

Сила Ph возникает в зазоре между скользящими поверхностями только тогда, когда отношение pjp меньше некоторого определенного значения, зависимого от величины зазора и, таким образом, от высоты неровностей скользящих поверхностей. При увеличении этого значения жидкость, которая находится в зазоре, не будет оказывать на скользящие поверхности никакого давления.

В этом случае

Отношениеназывается коэффициентом нагрузки уплотнения. Между ним и коэффициентом гидравлической нагрузки уплотнения существует следующая зависимость:

Зависимость этого коэффициента от величины зазора h приведена на рис. 160.

ь зоне Л преобладает состояние смешанного трения. Между скользящими поверхностями находится очень тонкий слой жидкости, не оказывающий заметного давления и местами прерываемый, так что верхушки неровностей на поверхностях трутся друг о друга. Трение и износ скользящих поверхностей зависят от смазочных свойств пленки жидкости и характеристики трущейся пары.

При сохранении требуемой шероховатости скользящих поверхностей, величину утечек можно ограничить до такого уровня, что их практически можно не принимать во внимание. Однако с увеличением высоты неровностей скользящих поверхностей и с ростом давления рабочей жидкости они становятся все больше.

Существенную роль играет также направление перемещения рабочей жидкости вследствие воздействия силы инерции. Если жидкость под влиянием этой силы перемещается в направлении уплотнения, величина утечек несколько увеличивается.

В зоне В, когда неровности скользящих поверхностей превысят определенную величину, зависимую от коэффициента нагрузки уплотнения

пластической деформации верхушек неровностей уже недостаточно для того, чтобы сомкнуть зазор между скользящими поверхностями. Создается давление рабочей жидкости в зазоре и тогда справедливой становится зависимость

На скользящих поверхностях появляется смешанное трение. Здесь может возникнуть гидродинамическая несущая пленка, правда, с местными разрывами. Таким образом, на процесс трения влияет как динамическая вязкость, так и фрикционные свойства материала уплотнения. Вследствие давления, возникшего в зазоре, и увеличения зазора, возрастает утечка, которая может превысить несколько кубических сантиметров в час. Однако при этом резко снижается износ скользящих поверхностей.

В зоне С, когда отношениескользящая поверхность

под влиянием давлениярабочей жидкости подвергается частичной разгрузке, а давлениев зазоре уменьшает трение при одновременном, однако, росте утечек, особенно когда имеют место неровности на поверхностях. В случае с гидравлически нагруженными

Рис. 160. Зависимость коэффициента нагрузки уплотнения от величины зазора h [65]

уплотнениями необходимо считаться с возможностью отрыва друг от друга скользящих поверхностей, особенно при небольших значениях

При возникновении даже незначительных деформаций скользящих поверхностей или росте высоты неровностей поверхностей по мере истирания скользящего кольца давление жидкости вызывает столь ощутимую разгрузку скользящего кольца, что контакт между скользящими поверхностями полностью утрачивается и появляются большие утечки рабочей жидкости. Эта опасность тем меньше, чем больше коэффициент нагрузкиприближается

к 1. В гидравлически нагруженных уплотнениях, когда контакт между скользящими поверхностями практически всегда существует. Для уплотнений автомобильных водяных насосов принимается значение ри = = 0,2-0,5 МПа.

Потери мощности в торцевых уплотнениях (рис. 161) рассчитывают при помощи следующей формулы:

где N — потеря мощности на трение, Вт; dcp — средний диаметр, м (рис. 161); Ри — удельное давление на скользящие поверхности, Н/м2; Ь — ширина опорного кольца, м; п — частота вращения, мин"1; — коэффициент трения, указываемый на автомобильном водяном насосе и равный 0,025—0,09.

График, представленный на рис. 162, иллюстрирует зависимость мощности, затраченной на трение, и условного коэффициента трения от частоты вращения при использовании серийных торцевых уплотнений в водяных насосах двигателей внутреннего сгорания [30].

Из множества конструкций торцевых уплотнений, используемых в автомобилях, ниже приведены несколько примеров решений уплотнений AXIA, рассчитанных для посадки как в неподвижные гнезда, так и на вращающиеся валы.

В уплотнении типа ААВ*, показанном на рис. 163 и 164, металлический кожух и скользящее колесо соединены в процессе вулканизации при помощи резиновой оболочки. Прижимное давление создается спиральной пружиной, опирающейся на донышко кожуха и тарелку, выступы которой входят в прорези внутренней втулки.

Благодаря этому уплотнение представляет собой замкнутое целое даже в несмонтированном состоянии. Резиновые выступы на внутренней поверхности скользящего кольца исключают возможность поворота кольца относительно кожуха, обеспечивая ему мягкое и бесшумное начало работы. Резина, окружающая часть внешней поверхности металлического кожуха, одновременно является его уплотнением. Уплотнения этого типа предназначены для функционирования при давлении до 0,1 МПа.

В уплотнении типа ААС, показанном на рис. 165 и 166, скользящее кольцо также соединено с кожухом при помощи привулканизованной резиновой оболочки. В этом случае пружина выполняет только вспомогательную функцию и обеспечивает герметизацию уплотняемого механизма в нерабочем состоянии. Истинное давление возникает только под воздействием рабочей жидкости, которая действует извне на резиновую оболочку. Уплотнения этого типа могут работать под давлением до 2 МПа.

В уплотнениях типа ААЕ (рис. 167 и 168) и типа AAF (рис. 169 и 170) скользящее кольцо привулканизовано к резине, которой придана жесткость металлическим вкладышем. Под воздействием крутящего момента в этом случае находится только резиновая оболочка и пружина, поэтому уплотнения этого типа пригодны для работы в спокойных условиях, при давлении не более 0,05 МПа, например в климатизационных устройствах транспортных средств. Поскольку внешняя поверхность кожуха уплотнения покрыта резиной, гнездо, в котором должно быть установлено уплотнение, не требует точной обработки. Уплотнения типа ААЕ применяются на валах с диаметром до 16 мм, уплотнения AAF — до 55 мм.

Уплотнение типа ААН (рис. 171 и 172) разработано для уплотнения водяных насосов двигателей внутреннего сгорания. Внешний кожух имеет наружный фланец, который помогает быстро установить уплотнение в гнездо при помощи простейших приспособлений.

Рис. 162. Зависимость мощности N, затраченной на трение, и условного коэффициента трения jti от частоты вращения вала (рабочее тело— охлаждающая жидкость для двигателя внутреннего сгорания, температура 90° С, удельное давление pw = 20 Н/см2, скользящее кольцо из графита, насыщенного металлом, опорное металлическое кольцо) [33]

Рис. 163. Уплотнение AXIA типа ААВ

Рис. 164. Сечение уплотнения AXIA типа ААВ

Рис. 166. Сечение уплотнения AXIA типа ААС

Рис. 165. Уплотнение AXIA типа ААС

Рис. 167. Уплотнение AXIA типа ААЕ

Рис. 168. Сечение уплотнения AXIA типа ААЕ

Рис. 169. Уплотнение AXIA типа AAF

Рис. 170. Сечение уплотнения AXIA типа AAF

Рис. 171. Уплотнение AXIA типа ААН

Рис. 173. Уплотнение Рис. 174. Сечение уплот-

AXIA типа AAL нения AXIA типа AAL

Рис. 172. Сечение уплотнения AXIA типа ААН

Резиновая оболочка, покрывающая внутреннюю втулку металлического кожуха, прижимается к ней при помощи спиральной пружины. С другой стороны она схватывает скользящее кольцо. Спиральная прижимная пружина обеспечивает требуемое давление скользящего кольца на поверхность опорного кольца. Рабочая жидкость окружает извне резиновую оболочку и по мере роста давления усиливает взаимное прижатие скользящих поверхностей. Этот тип уплотнений может быть использован при давлениях до 0,2 МПа.

Другие типы торцевых уплотнений, а именно уплотнения типа AAL, представлены на рис. 173 и 174, а уплотнения типа ААМ — на рис. 175 и 176.

Уплотнение типа AAG (рис. 177 и 178) отличается от предыдущих тем, что предназначено оно для посадки на вращающийся вал. Внутренняя фланцевая втулка имеет вырезы, направляющие скользящее кольцо. С другой стороны к втулке привулканизована резиновая оболочка, закраине которой придана жесткость при помощи металлического вкладыша. Уплотнение вращается вместе с валом и может работать при давлении до 0,2 МПа. Этот тип уплотнений находит применение в водяных насосах двигателей внутреннего сгорания.

Уплотнение типа AAJ (рис. 179 и 180) также спроектировано для посадки на вращающийся вал. Кожухом в этом случае является резиновая рубашка, с одной стороны покрывающая скользящее кольцо, а с другой — обладающая значительной толщиной для повышения жесткости, благодаря чему она хорошо уплотняет вал. Уплотнения этого типа могут работать при давлении до 0,2 МПа.

Материалы. Оболочки торцевых уплотнений, имеющие чаще всего форму мешка, изготавливаются из резины на базе синтетических каучуков, выбранных применительно к ожидаемым условиям работы, в основном к роду рабочей жидкости и ее температуре.

Для оболочек уплотнений водяных насосов двигателей внутреннего сгорания часто используется резина ТО 125-60 по нормативу ФИАТ 55228 или TR 100-60 по нормативу ФИАТ 55285.

Скользящие кольца изготавливаются из полимерных материалов, графитовых композиций, насыщенных металлом, спеченных карбидов и окислов металлов, реже из эбонита, наполненного графитом.

Кожухи уплотнений выполняют из металлов, устойчивых к коррозии, чаще всего из латуни. В некоторых типах уплотнений кожухи делают из нержавеющей стали.

Спиральные, волнистые и язычковые пружины изготавливают из металлов, устойчивых к коррозии, прежде всего из нержавеющей стали или из твердой бериллиевой бронзы. Их характеристики подбирают таким образом, чтобы в смонтированных уплотнениях они создавали на скользящих поверхностях давление рс = 0,2 ч--0,4 МПа.

Рис. 175. Уплотнение AXIA типа ААМ

Рис. 176. Сечение уплотнения AXIA типа ААМ

Рис. 177. Уплотнение AXIA типа AAG

Рис. 178. Сечение уплотнения AXIA типа AAG

Рис. 179. Уплотнение AXIA типа Рис. 180. Сечение уплот-

AAJ нения AXIA типа AAJ

Рекомендации по применению. Торцевые уплотнения используются в транспортных средствах в основном для уплотнения водяных насосов двигателей внутреннего сгорания, а также автоматических передач, преобразователей крутящего момента, подшипников гусеничных тягачей

и вездеходов. Рабочие параметры уплотнений приведены в табл. 27, причем наиболее часто встречающиеся параметры находятся в I и II группах. В зависимости от наличия места и условий работы выбирается соответствующий тип уплотнений с помощью фирменных каталогов.

При проектировании торцевых уплотнений следует учитывать нижеследующие факторы. Гнездо, в которое должно быть посажено торцевое уплотнение в металлическом кожухе, должно быть выполнено с допуском Н8 и в нем снята фаска под углом 10—15° на глубину в 1,0—1,5 мм.

Чтобы воспрепятствовать возникновению избыточного давления в пространстве за уплотнением, кожух следует снабдить воз-

Таблица 27

Рабочие параметры торцевых уплотнений в зависимости от давления, скорости и нагрузки [101, 102]

Нагрузка

Группа

Давление, МПа

Скорость, м/с

pv, МПа-м/с

Низкая

I

1

Средняя

II

5

Высокая

III

50

Сверх

IV

50

высокая

Рис. 182. Опорная поверхность торцевых уплотнений, неподвижно закрепленных в кожухе

Рис. 181. Опорные кольца торцевых уплотнений, неподвижно закрепленных в кожухе: а— запрессовано; б— с уплотнением

духоотделителем, например отверстием (рис. 152, 154 и 155). Отверстие должно быть выполнено в самой нижней части кожуха, чтобы одновременно оно выводило и утечки. Уплотняемую поверхность располагают перпендикулярно по отношению к валу и обрабатывают без царапин, желательно, притиркой. Плоскостность должна быть в пределах 2—6 линий световой волны.

В уплотнениях, установленных неподвижно в кожухе, скользящее кольцо прижимается к поверхности опорного кольца (рис. 181)

или части устройства, например к поверхности ротора, насаженного на вал (рис. 182).

В уплотнениях, вращающихся вместе с валом, скользящее кольцо прижимается к стенке кожуха (рис. 177 и 180) или к поверхности кольца, установленного в кожухе (рис. 183). У вала

Рис. 183. Опорные поверхности уплотнений, неподвижно посаженных на вале

Рис. 184. Элемент вала, обработанный под посадку торцевого уплотнения

в этом случае делается проточка, как показано на рис. 184. Внешний диаметр опорного кольца должен быть при любом решении на несколько миллиметров больше, а внутренний диаметр — меньше, чем соответствующий диаметр скользящего кольца.

Рис. 186. Пуансон для установки торцевых уплотнений AXIA типа ААЕ

Рис. 185. Пуансон для установки торцевых уплотнений AXIA типов ААВ, AAF, ААН, AAL, ААМ

Опорные кольца изготавливают из серого или перлитного чугуна, литой стали, оловянно-фосфорной бронзы или нержавеющей стали. При монтаже торцевых уплотнений следует пользоваться

Рис. 187. Пуансон для установки торцевых уплотнений AXIA типа ААС

Рис. 188. Пуансон для установки торцевых уплотнений AXIA типа AAG

прессом и пуансонами (рис. 185—188). Поверхности, подвергающиеся трению, следует покрыть тонким слоем минерального масла.

4.4. Тормозные уплотнения

Конструкция. Тормозные уплотнения, служащие для уплотнения тормозных барабанов и главного тормозного цилиндра, показаны на рис. 189. Уплотнения поршня кулисы дисковых тормозов часто имеют форму кольца с прямоугольным или круглым сечением (рис. 190). Уплотнения возвратных клапанов и главного тормозного цилиндра имеют форму кружков или чашечек. Размеры уплотнений тормозных барабанов (рис. 191) приведены в табл. 28.

Материалы. Тормозные уплотнения, которые при работе подвергаются воздействию тормозной жидкости с температурой до 70° С, изготавливаются из резины ТХ 70 (см. табл. 12); причем чаще всего используется резина ТХ 70—50 с HSh 50 и резина ТХ 70—55 с HSh 55. Резину этого типа получают на основе натурального каучука.

Тормозные уплотнения, которые при работе подвергаются воздействию тормозной жидкости с температурой до 120° С, изготавливаются из резины ТХ 120 (см. табл. 12), причем чаще всего используется резина ТХ 120—65 с HSh 65 и резина ТХ 120—85.

Производство резины этого типа основано на использовании бу~ тадиен-стирольного каучука.

Уплотнения и внешние оболочки, которые при работе подверг гаются воздействию тормозной жидкости и атмосферных факторов при повышенной температуре, изготавливаются из резины ТХА 120 (см. табл. 12), причем чаще всего используется резина

Рис. 189. Тормозные уплотнения: а — барабана; б — тормозного насоса

Рис. 190. Уплотнение поршня кулисы дискового тормоза (G — резина)

Рис. 191. Обозначения основных размеров тормозных уплотнений

ТХА 120—55 с HSh 55. Резину этого типа получают на основе этилен-пропиленового каучука.

Перечисленные типы резин используются в автомобилях ФИАТ. Остальные параметры этих резин приведены в Технических условиях ФИАТа на готовые уплотнительные элементы для гидравлических тормозов № 9.14622.

Уплотнения и оболочки тормозных систем для автомобилей изготавливаются из резины в соответствии со стандартом ZN-73 (MPCh—G) * Pt-26 **.

Уплотнения поршня в кулисах дисковых тормозов изготавливаются в соответствии с Техническими условиями ФИАТ

№ 9.14624/1 из резины со свойствами, ранее перечисленными в табл. 12.

Рекомендации по применению. Критерием выбора резины для уплотнительных деталей тормозных систем является максималь-

Таблица 28

Основные размеры тормозных уплотнений в соответствии с ZN-59/MPC/06-00371

Номинальный размер

DH7

dx

d2

дюйм

мм

мм

3/4

19,05 + 0,021

18,5±0,1

20±0,1

7\8

—

22,22 + 0,021

21,7±0,1

23,3±0,1

1

—

25,4 + 0,021

25,0±0,12

26,4±0,12

1х/8

—

28,57 + 0,021

28,0±0,12

29,5±0,12

30

30,00 + 0,021

29,5±0,12

31 db 0,12

1 1\4

—

31,75 + 0,025

31,2±0,12

32,75±0,12

32

32,00 + 0,025

31,5±0,12

33±0,12

11\2

—

38,10+ 0,025

37,5±0,15

39±0,15

13/4

—

44,45 + 0,025

44,00±0,15

45,5±0,15

2

—

50,80 + 0,025

50,3±0,15

51,8±0,15

ная температура работы этих деталей. В тормозных системах с вы сокой тепловой нагрузкой следует использовать резины ТХ 120 и ТХА 120 (см. табл. 12). Однако, это требует согласования с производителем уплотнительных деталей.

4.5. Уплотнения гидравлических амортизаторов

Конструкция. Для уплотнения поршневых штоков гидравлических амортизаторов чаще всего применяют многокромочные резиновые уплотнения, которые показаны на рис. 192 и 193.

Коническое сечение уплотнения, на которое оказывает давление спиральная пружина, дает возможность создать равномерное „давление кромок на поверхность уплотняемого вала в течение всего периода эксплуатации гидравлического амортизатора.

Уплотнение работает в очень сложных условиях: давление амор-тизаторного масла доходит до 3 МПа, температура может колебаться в пределах от —40 до +200° С в зависимости от типа машины, качества дороги и климата. Для защиты поршневого штока и уплотнения от грязи, пыли и воды служат скреперные уплотнения, которые будут описаны в п. 4.9.

Неподвижные соединения в амортизаторах уплотняются либо при помощи уплотнительных колец типа О, либо при помощи плоских кольцевых уплотнений из резины.

Материалы. Специализированные фирмы, выпускающие гидравлические амортизаторы, выбирают для уплотнений резину с оптимальными свойствами исходя из условий работы этих узлов. Например, один из известных производителей гидравлических амортизаторов использует резину со свойствами, перечисленными в табл. 29.

Многокромочные уплотнения в последнее время все чаще делают из резины на базе фторкаучука. Ее несомненно следует считать

Таблица 29

Характеристики резин для уплотнений гидравлических амортизаторов [3]

Параметры

Многокромочные уплотнения

Скреперные уплотнения

Уплотни-тельные кольца типа О

Резина типа В

Резина типа С

Резина типа D

Плотность, кг/м3

—

1220±20

1345±20

—

Твердость HSh

60—65

55± 5

80± 5

83-90

Предел прочности при разрыве, МПа, не менее

10,5

10,5

7,0

14,1

Относительное удлинение при разрыве, %, не менее

300

300

100

100

Напряжение, МПа, не менее

5,3 при удлин

2,1

ении 250%

5,3 при удлин

5,3 ении 100%

Эластичность на эла-стометре Данлопа при температуре 20° С, %, не менее

20

при угле падения 45°

10

при угле I

10

1адения 90°

Относительная остаточная деформация при сжатии (100° С, 24 ч, сжатие на 30%), %, не более

15

15

15

10

Температура хрупкости, °С

—45

—35

—35

—40

Изменение предела прочности при разрыве после старения на воздухе (70° С, 150 ч), %, не более

5

15

5

5

Степень набухания резины в амортизатор-ной жидкости (70° С, 150 ч), %

От —2 до +7 масло № 617

От —5 до +7 масло No 617

От —2 до +5 масло No 788

От —2 до +5 масло No 1189

Изменение твердости резины после набухания в амортизатор ной жидкости (70° С, 150 ч) HSh, не более

3

Содержание хлоридов, %

0,1

0,1

0,1

0,1

Содержание сульфатов, %

0,15

0,15

0,15

0,15

Щелочность водной вытяжки

Не больше, чем щелочность для 0,02%-ного раствора КОН: не должна давать кислой реакции с бромкрезоловой зеленью

материалом, наиболее пригодным для уплотнений, предназначенных к эксплуатации в особо сложных условиях.

Рекомендации по применению. Кромки уплотнения требуют к себе особого внимания. Условием их эффективной работы следует считать тщательную обработку и защиту от повреждения во время монтажа.

Если уплотнение проводится через резьбу, нарезанную на штоке, то эта резьба до начала монтажа должна быть закрыта тонкой насадкой из полиэтилена. Рекомендуется промазка уплотнения амортизаторным маслом.

-Рис. 193. Амортизаторное уплотнение для поршневого штока диаметром 11,9 мм

-Рис. 192. Уплотнения гидравлических амортизаторов

4.6. Поршни двусторонние

Конструкция. Поршень двустороннего действия, например Т DUO * (рис. 194 и 195) состоит из резиновой уплотнительной детали, привулканизованной к стальному диску. Цилиндрическая направляющая поверхность в центральной части поршня переходит в две уплотнительные губки, направленные в противоположные стороны, кромки которых прижаты к стенкам цилиндра. В стандартном исполнении используются спиральные прижимные пружины, работающие на сжатие. В некоторых конструкциях двусторонние поршни могут не содержать пружины и стального диска.

Поршни предназначены для уплотнения жидкостей или газов при температуре от —25 до + 110° С, а в особых случаях от —55 до +135° С и при давлении

примерно до 1 МПа. Модификация Н поршня Т DUO может работать при давлении до 7 МПа.

Стальной диск с одной стороны покрывается лаком, а с другой — слоем резины толщиной около 0,5 мм. Отверстие в диске выполняется с допуском НЮ, и оно предназначено для соединения поршня со шкворнем.

Материалы. Для изготовления поршней идет резина из бутадиен-нитрильного каучука с HSh 80. Твердость поршней модификации Н больше и составляет приблизительно HSh 90, и этим в основном модификация Н отличается от обычного исполнения Т DUO.

Рекомендации по применению. Двусторонние поршни находят применение в амортизаторах, вспомогательных устройствах, подъемниках и т. п. Поршни с диаметром меньше чем 150 мм предназначены для работы под малым давлением и могут быть соединены непосредственно со шкворнем, как это показано на левой части рис. 196.

Резиновая оболочка на стальном диске должна находиться со стороны шкворня, чтобы обеспечить с ним плотное соединение. Поршни с большим диаметром или предназначенные для работы

под высоким давлением должны соединяться со шкворнем при помощи шайб, как показано на правой части рис. 196.

Герметичность соединения шкворня, шайб и поршня обеспечивается при помощи уплотнительных колец типа О. Поверхность, цилиндра должна обладать максимально высоким классом шерохо-

Рис. 194. Уплотняющий двусторонний поршень Т DUO

Рис. 195. Сечение уплотняющего двустороннего поршня Т DUO

Рис. 196. Конструкция поршня Т DUO

ватости. Если существует опасение, что внутрь поршня могут попасть загрязнения из внешней среды, следует произвести его герметизацию при помощи скреперных уплотнений (см. п. 4.9.).

4.7. Уплотнительные кольца с U-образным сечением

Конструкция. Уплотнительные кольца с U-образным сечением по PN-72/M-73095 (рис. 197) служат для герметизации узлов с поршнями, совершающими возвратно-поступательное движение в гидравлических приводах и системах управления при рабочем давлении от 0 до 16 МПа и от 0 до 32 МПа.

Принципиальная конструкция уплотнений этого типа показана на рис. 198. Используются также уплотнения с сечениями, показанными на рис. 199. Кроме колец с губками одинаковой высоты выпускаются кольца, где губки имеют различную высоту

(рис. 200 и 201). В этих модификациях более высокая губка служит для посадки кольца, а короткая — уплотняет подвижную

Рис. 197. U-образное уплотнение

Рис. 198. U-образ-ное уплотнение в сечении

^поверхность. В некоторых случаях уплотнению с U-образным «сечением придается необходимая жесткость при помощи металлического кольца (рис. 202).

Иногда используются двойные U-образные кольца (рис. 203), работающие при давлении до 1,5 МПа. Кроме обеспечения герметичности они выполняют функцию направляющей для поршня, который в этом случае не соприкасается с цилиндром. Это имеет существенное значение тогда, когда цилиндр сделан из материала с невысокой тведостью, например из полимерных материалов, цинкового или алюминиевого сплава.

Принцип действия уплотнений этого типа заключается в том, что их губки прижимаются к уплотняемым поверхностям за счет упругости резины, а также распорными усилиями, которые создаются действием давления уплотняемого рабочего тела. В результате их усилия складываются (рис. 204). Система сил, которая имеет место в этом случае, представлена на рис. 205.

Рис. 199. Различные конструкции U-образных уплотнений

Рис. 200. Сечение U-образного уплотнения с удлиненной внешней губкой до посадки в цилиндр

Давление р в масляной пленке между уплотняющей губкой и тюршнем снижается по мере увеличения расстояния рассматриваемой зоны от края кромки. Закономерности падения давления в масляной пленке могут значительно различаться в зависимости от качества материала уплотнения и конструктивных особенностей, «а также от условий работы. Чем быстрее падает давление в масляной пленке, тем меньше будут утечки.

Внутреннее давление уплотняемого рабочего тела прижимает уплотнение к поверхностям теоретически по всей ширине. Поскольку на практике нижние кромки уплотнения имеют фаску или закруглены, в распределении контактного давления наблюдается известное отклонение от теоретического.

В зоне действия кромки равнодействующая сил была бы равна нулю, если бы не воздействие начального напряжения Pv как равнодействующей сил, которые возникают в результате некоторого растяжения губки при установке уплотнителя.

Из разложения сил, приведенного на рис. 205, следует, что уплотнение испытывает наибольшую нагрузку по бокам в районе дна впадины. Кстати, именно там, а не на кромках, наблюдается наибольший износ уплотнения (рис. 206).

Роль начального напряжения чрезвычайно важна. Если оно слишком мало, возможна утечка. Начальное напряжение представляет собой равнодействующую сил, растягивающих уплотняющую губку. Резина, используемая для уплотнений этого типа, должна обладать значительным относительным удлинением. На рис. 207 приведен график зависимости напряжения от деформации для случая сжатия и растяжения резины. При сокращении растянутой резины наблюдается появление довольно большой гисте-резисной петли и значительной остаточной деформации. Это явление неблагоприятно влияет на характеристику уплотнения с течением времени. Поэтому при конструировании уплотнения стараются увеличить количество резины в районе уплотняющей губки, чтобы даже при небольшом растягивающем усилии обеспечить сумму растягивающих сил, достаточную для создания требуемого

начального напряжения Pv. Связь между формой уплотняющей губки и величиной создаваемого ею начального давления показана на рис. 208. Утолщение губки, а также уменьшение ее длины приводят к значительному возрастанию контактного давления.

Подобный эффект можно получить, используя эластичное распорное кольцо (рис. 209), подверженное сжимающим напряжениям. Небольшим деформациям в этом случае сопутствуют относительно большие силы (см. рис. 207). Гистерезис при деформациях сжатия

Рис. 207. График зависимости напряжения от деформации в случае сжатия и растяжения резины [104]

Рис. 206. Зона наибольшего износа U-образного уплотнения [1]

Рис. 208. Начальное давление, вызываемое U-образными уплотнениями различных конфигураций [61 ]

значительно меньше, чем при деформациях растяжения, и его влияние на изменение характеристики уплотнения соответственно меньше. При проектировании уплотнений следует иметь в виду тот факт, что контактное давление вызывает достаточно ощутимые силы трения, величина которых зависит от условий эксплуатации (рис. 210 и 211).

Чтобы избежать скручивания уплотнения во время эксплуатации, используются мягкие опорные кольца (рис. 212) с размерами, указанными в стандарте PN-73/M-73099, или же жесткие (рис. 213)

с размерами, указанными в PN-73/M-73097.

Материалы. Для уплотнительных колец с U-образным сечением чаще всего используются: резина или прорезиненные ткани; полиуретановые эластомеры типа «Вулкол-лан» или «Десмопан». Свойства резин для уплотнений этого типа перечислены в стандартах PN. Опорные кольца изготавливаются из резины, полимерных материалов или металлов.

Рекомендации по применению. Уплотнительные кольца с U-образным сечением используются исключительно для уплотнения механизмов с воз-вратно-поступательным движением при скорости скольжения до 0,2 м/с или 60 циклов/мин. И только когда работа происходит при

Рис. 209. U-образное уплотнение с распирающим кольцом [104]

Рис. 210. Сила трения в зависимости от внешнего давления в U-образных уплотнениях из различных материалов:

А — вулколлан с HSh 90; В — пер-бунановая резина с HSh 80; С — пербунановая резина с HSh 90; D — ткань [104, 108)

Рис. 211. Сила трения в U-об-разных уплотнениях из резины с HSh 88 для цилиндра с диаметром 3" (76,2 мм) в зависимости от давления и скорости скольжения [1]

очень малом давлении, близком к атмосферному, скорость скольжения может составлять от 4 до 5 м/с.

Уплотнения из резины без металлической арматуры на базе полиуретановых эластомеров используются при давлениях до 10 МПа и когда существует очень небольшой зазор между поршнем

и цилиндром, например зазор, соответствующий посадке Н8/е9. Если зазор довольно велик, используются U-образные уплотнения с металлическим кольцом.

При давлениях, больших чем 10 МПа, или когда имеет место большой зазор между поршнем и цилиндром, используются уплотнения из прорезиненных тканей.

Зазор между поршнем и цилиндром должен быть тем меньше, чем больше давление в цилиндре. Если зазор чересчур велик, нижняя кромка уплотнения зажимается в щели между цилиндром и поршнем и уплотнение разрушается (рис. 214).

Когда давление среды не превышает 1 МПа, зазор может быть несколько больше, чем зазор, возникающий при посадке (рис. 215).

Рис. 213. Жесткие опорные кольца

Рис. 214. Защемление материала уплотнения в зазоре между цилиндром и поршнем [1]

Когда по какой-либо причине невозможно ограничение зазора, под уплотнительное кольцо с U-образным сечением подкладывается кожаная или пластиковая шайба, подвижно посаженная в цилиндре

Рис. 215. Общие требования к монтажу U-образных уплотнений

{рис. 216), которая препятствует защемлению резины в зазоре между цилиндром и поршнем. Среди полимерных материалов, которые следует использовать для шайбы, в первую очередь следует

назвать фторопласт, полиамид и полиформальдегид.

При проектировании уплотнения предпочтение необходимо отдать конструкциям с поступательным движением поршня по отношению к внутренней губке U-образного уплотнения. Губки, которые подвергаются растяжению при монтаже уплотнения, легко принимают рабочее положение в плоскости, перпендикулярной оси поршня. Кроме того, легче достичь высокого класса шероховатости поверхности поршня, чем цилиндра, а от класса шероховатости рабочих поверхностей в значительной мере зависит долговечность уплотнения.

Рис. 216. U-образные уплотнения для высоких давлений с подкладкой из кожи или искусственного волокна

Рис. 217. Уплотняемый узел с двумя U-образными уплотнениями: а — правильно; б — неправильно

Рис. 218. Различные способы монтажа U-образных уплотнений: а — уплотнение внутренней поверхности; б— уплотнение внешней поверхности [31 ]

Рис. 219. Оснастка для монтажа поршня с U-образными уплотнениями [1]

5 Ю. Яворский

129

Положительное влияние на работу U-образного уплотнений оказывает периодическая смазка трущихся поверхностей смазкой, содержащей дисульфид молибдена MoS2.

Для того чтобы закрепить кольцо на поршне или в цилиндре неподвижно, используются опорные кольца (см. рис. 212 или 213). Их торцы попадают в углубления между губками уплотнительных колец. Однако они не должны прижимать резину, чтобы не вызвать неконтролируемой деформации уплотнения. Между кромкой под-- порки и дном уплотнительного кольца должен сохраняться зазор в пределах 0,2—0,5 мм. В стенках опорных колец проделывается несколько отверстий, чтобы достигнуть равного давления на обе губки уплотнения. По той же причине на поверхности опорных колец прорезаются канавки.

Если для герметизации механизма необходимо использовать два или более уплотнительных колец с U-образным сечением, их следует монтировать таким образом, чтобы давление, действующее на одно из них, не вызывало деформации другого (рис. 217). Различные способы расположения уплотнительных колец с U-образным сечением изображены на рис. 218. Для монтажа уплотнений этого типа необходимо использовать приспособления, предохраняющие кромки от повреждений, как это показано на рис. 219.

4.8. Фланцевые уплотнения

Конструкция. Различают две принципиально отличающиеся модификации уплотнений этого типа: с внешним и внутренним

фланцами (рис. 220). Одним из вариантов уплотнений с внутренним - фланцем являются пуговичные уплотнения (рис. 221) с донышком вместо фланца.

Рис. 220. Фланцевые уплотнения

Рис. 221. Пуговичное уплотнение

Уплотнения с внешним фланцем имеют форму, изображенную на рис. 222, а. Уплотнениям с внутренним фланцем придается форма, показанная на рис. 222, б. Служат они для герметизации соединения подвижного поршня и неподвижного цилиндра. Они могут работать при давлениях до 3,5—4 МПа. Для нормальной

работы при более низком давлении или даже при вакууме, применяется конструкция с прижимной пружиной (рис. 222—226). Если давление уплотняемого рабочего тела превышает 0,4 МПа, используется подпорка губки в виде опорного кольца (рис. 224 и 227).

работы уплотнений необходимо обеспечить некоторое минимальное давление, величина которого составляет 0,05—0,2 МПа, в зависимости от толщины резины. Если уплотнение предусмотрено для

Рис. 223. Уплотнение с прижимной пружиной; расположенной в кожухе

Рис. 224. Уплотнение с прижимной пружиной, расположенной в канавке губки, подпираемой опорным кольцом '

Рис. 222. Сечения фланцевых уплотнений: а— с внешним фланцем; б — с внутренним фланцем

Рис. 227. Уплотнение с внутренним фланцем и опорным кольцом

Рис. 226. Уплотнение с внутренним фланцем и прижимной пружиной, расположенной в поршне

Рис. 225. Уплотнение с внутренним фланцем и прижимной пружиной, расположенной в канавке губки

Внешний или внутренний фланец уплотнения зажимается между металлическими деталями. Значение рекомендуемой деформации фланца / (рис. 223—227) равняется примерно 10% от первоначальной толщины.

Материалы. Фланцевые уплотнения выполняются из резины, устойчивой к воздействию масла и смазки, чаще всего на основе

бутадиен-нитрильного каучука с HSh 90, например из резины SA 90.09.10, PN-64/C-94150.

Рекомендации по применению. Фланцевые уплотнения служат для герметизации соединений, имеющих валы, совершающие возвратно-поступательное или вращательное движения, когда давление рабочего тела превышает значения, допустимые для колец типа «Зиммеринг».

4.9. Скреперные уплотнения

Конструкция. Скреперные уплотнения показаны на рис. 228. Они используются для защиты валов с возвратно-поступательным движением от проникновения воды и грязи, особенно пыли там, где применение гофрированных резиновых оболочек не|представ-ляется возможным, например в автомобильной гидравлике.

Рис. 228. Скреперные уплотнения

С конструктивной точки зрения различают два типа уплотнений: обычные (рис. 229) и выполненные с металлическим кольцом для повышения жесткости (рис. 230). Основные размеры скреперных уплотнений обеих модификаций (рис. 231 и 232) приведены в табл. 30 и 31.

Рис. 201. Сечение U-образного уплотнения с удлиненной внутренней губкой до посадки на поршень

Рис. 203. Двойное U-об-разное уплотнение

Рис. 202. U-образное уплотнение с металлическим кольцом

Рис. 204. Эффект воздействия уплотняемого рабочего тела на U-образное уплотнение [1]

Рис. 230. Скреперное уплотнение с металлическим кольцом жесткости [31 ]

Рис. 229. Обычное скреперное уплотнение [105]

Материалы. Скреперные уплотнения изготавливаются из масло-стойкой резины с HSh 80—90, например из резины SA 90.09.10, Т120, PN-64/C-94150 или полиуретанового эластомера типа «Вул-коллан» с HSh 90.

Кольцо жесткости изготавливают из тонкой стальной ленты методом штамповки и фосфатируют для защиты от коррозии. Для производства колец, предназначенных для работы в среде,

Таблица 30

Основные размеры обычных скреперных уплотнений и гнезд под эти уплотнения по данным фирмы «Меркель» [104, 105], мм

d

D

в

и

S

Di

D2

Si

г

20

28

4

7

5

28,6

23

5,3

1

22

30

4

7

5

30,6

25

5,3

1

25

33

4

7

5

33,6

28

5,3

1

28

36

4

7

5

36,6

31

5,3

1

30

38

4

7

5

38,6

33

5,3

1

32

40

4

7

5

40,6

35

5,3

1

35

43

4

7

5

43,6

38

5,3

1

36

44

4

7

5

44,6

39

5,3

40

48

4

7

5

48,6

43

5,3

1

45

55

5

7

5

55,6

48

5,3

1

50

60

5

7

5

60,6

53

5,3

1

55

56

5

7

5

65,6

58

5,3

1

56

66

5

7

5

66,6

59

5,3

1

60

70

5

7

5

70,6

63

5,3

1

63

73

5

7

5

73,6

66

5,3

1

65

77

5

7

5

75,6

68

•5,3

1

70

80

5

7

5

80,6

73

5,3

1

75

87

6 .

12

7

87,2

81

7,1

1

80

92

6

12

7

92,2

86

7,1

1

85

97

6

12

7

97,2

91

7,1

1

90

102

6

12

7

102,3

96

7,1

1

100

112

6

12

7

112,2

106

7,1

1

110

122

6

12

7

122,2

116

7,1

1

125

140

7,5

16

10

140

132,6

7,1

1,5

140

155

7,5

16

10

155

147,6

10,1

1,5

150

165

7,5

16

10

165

157,6

10,2

1,5

160

175

7,5

16

10

175

167,6

10,2

1,5

180

200

10

18

10

200

190

10,2

3

200

220

10

18

10

220

210

Sr.'-у'

10,2

3

Таблица 31

Основные размеры скреперных уплотнений с металлическим кольцом жесткости и гнезд под эти уплотнения в соответствии с данными фирмы «Меркель» при а — 45° и а = 0,5

[104, 105], мм

d

D

в

н

5

Si

d

D

в

н

5

Si

8

14

3

5

3,5

4

35

45

5

10

7

7,5

10

16

3

5

3,5

4

36

46

5

7

5

5,5

12

18

3

5

3,5

4

40

50

5

8

5

5,5

14

20

3

5

3,5

4

45

55

5

7

5

5,5

15

21

3

5

3,5

4

50

60

5

7

5

5,5

16

22

3

5

0,5

4

55

65

5

7

5

5,5

18

28

5

7

5

5,5

56

66

5

7

5

5,5

20

30

5

7

5

5,5

60

70

5

7

5

5,5

22

32

5

7

5

5,5

63

73

5

7

5

5,5

25

35

5

7

5

5,5

65

75

5

7

5

5,5

28

38

5

7

5

5,5

70

80

5

7

5

5,5

30

40

5

7

5

5,5

75

83

4

10

7

7,5

32

42

5

7

5

5,5

80

88

4

10

7

7,5

вызывающей интенсивную коррозию, используется латунь либо нержавеющая сталь.

Рекомендации по применению. Обычно уплотнения с внутренним диаметром больше 50 мм монтируются в паз кожуха (рис. 233). Уплотнения с диаметром меньше 50 мм устанавливать таким способом нельзя из-за возможности его повреждения. В этом случае

Рис. 234. Разъемный кожух с канавкой для обычного скреперного уплотнения [105]

Рис. 233. Скреперное уплотнение, установленное в канавке кожуха [105]

используется конструкция кожуха, показанная на рис. 234, либо применяют уплотнение с металлическим кольцом жесткости, которое вводится в гнездо кожуха.

Размеры гнезд (см. рис. 231 и 232) для скреперных уплотнений даны в табл. 30 и 31. Внутренний диаметр гнезда для уплотнения с металлическим кольцом жесткости выполняется с допуском Н8. Ширина гнезда должна бьщ> немного больше ширины кольца жесткости, чтобы в гнезде не накапливалась грязь.