Уплотнительные кольца типа „Зиммеринг"

Конструкция. Уплотнительные кольца типа «Зиммеринг» (рис. 67) служат для герметизации соединений, где имеются вращающиеся валы. В зависимости от конструктивных особенностей они делятся на два типа: А — с металлическим вкладышем для придания жесткости (рис. 68); В — в металлическом кожухе (рис, 69),

Уплотнительное кольцо типа А изготавливается из резины, ему придается жесткость при помощи металлического вкладыша, который привулканизовывается к резине. Уплотнительное кольцо

типа В представляет собой сплошной или состоящий из отдельных элементов металлический кожух, внутри которого запрессован резиновый вкладыш. В некоторых решениях резиновый вкладыш привулканизован к кожуху. В .обоих случаях различают множество модификаций, отличающихся конструктивными деталями и качеством материалов, использованных для изготовления колец (табл. 20).

Однако независимо от конструкции все модификации уплотнительных

плоские (рис. 71) и спаренные (рис. 72) пружины. В некоторых случаях для облегчения замены уплотнительного кольца во время эксплуатации машин и устройств применяются разъемные кольца (рис. 73) и спиральные пружины, концы которых соединяются в замкнутый контур после наложения кольца на уплотняемый вал,

Таблица 20

Уплотнительные кольца. Основные конструкции

Для уплотнения валов, работающих на больших окружных скоростях, в особенности коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания, применяются гидродинамические кольца с ребристой губкой правого или левого хода или с треугольными углублениями на вспомогательной поверхности (рис. 74—76).

Раньше считали, что кромка уплотняющей губки должна входить в непосредственный контакт с валом, создавая физический барьер между уплотняемой жидкостью и воздухом, и что на поверхности вала следует при помощи пружины создавать высокое удельное давление, чтобы кромка могла прорезать масляную пленку и удалять масло с поверхности вала. Современные представления о механизме действия уплотняющей губки выглядят несколько иначе [1, 104, 119].

Широкие исследования, проведенные английской фирмой «Ангус», позволили заключить, что во время работы кромка уплотняющей губки не находится в сухом контакте с валом, а между ней и поверхностью вала сохраняется слой масла толщиной около

Рис. 70. Детали уплотнительного кольца:

1 — внешняя поверхность; 2 — фаска; 3 — внутренняя поверхность; 4 — активная поверхность мембраны; 5 — пружина; 6 — порожек губки; 7 — канавка для пружины; 8 — рабочая поверхность; 9 — плоскость уплотняющей кромки; 10 — торец; 11 — лицевая поверхность; 12 — вкладыш жесткости; 13 — углубление; 14 — мембрана; 15 — пассивная поверхность мембраны; 16 — плоскость действия пружины; 17 — вспомогательная поверхность; 18 — кромка уплотняющая; 19 — покрышка оправки; 20 — гнездо; 21 — оправка; 22 — пыльник; 23 — уплотняющая губка

Рис. 71. Уплотнительное кольцо GACO с плоской прижимной пружиной [1]

Рис. 72. Уплотнительное кольцо АСО с двойной прижимной пружиной [1]:

1 — эластичный резиновый вкладыш; 2 — прижимная пружина; 3 — металлический корпус; 4 — обжимное кольцо; 5 — плоская прижимная пружина

0,0025 мм. Хотя этот слой значительно тоньше, чем гидродинамический слой масла в подшипниках скольжения, своим наличием он вызывает аналогичный эффект. Масляная пленка уменьшает давление губки на вал и несколько приподнимает кромку. Возникают условия смешанного трения, при этом сухое трение наблюдается только лишь на верхушках неровностей поверхности вала.

Вследствие действия поверхностного натяжения между двумя поверхностями масляная пленка образует мениск, тормозящий утечку жидкости. Это явление иллюстрируют рис. 77, на котором толщина слоя представлена в увеличенном масштабе, и рис. 78,

который изображает область действия уплотняющей губки (при увеличении, но с сохранением масштаба).

Силы поверхностного натяжения так малы, что мениск образуется между уплотняемыми поверхностями только в том случае, если зазор между ними очень невелик. При увеличении зазора мениск разрушается и возникает утечка. Появится она и в том случае, когда зазор увеличится в одном месте на окружности вала, поскольку именно здесь и произойдет разрушение мениска.

Царапины на поверхности вала, трещины, свищи, коррозийные разъедания, а также мельчайшие повреждения уплотняющей губки могут привести к разгерметизации узла. К таким же последствиям приводит и чрезмерная шероховатость вала.

Оптимальная толщина пленки, необходимая для обеспечения долговременной работы уплотнительного кольца, зависит от многих факторов: прежде всего, от величины радиального давления, ширины уплотняющей поверхности, вязкости уплотняемой жидкости и температуры. Слишком большое удельное давление, испытываемое валом с чересчур гладкой поверхностью, может привести к разрыву масляной пленки между уплотняющей губкой и поверхностью вала. При этом возникает сухое трение резины о металл, приводящее к быстрому росту температуры в области повышенного трения и, следовательно, ускоренному разрушению кольца.

Наличие масляной пленки является необходимым для правильной работы уплотнения. На практике, однако, чрезвычайно

трудно свести вместе все необходимые параметры, и поэтому конструирование абсолютно герметичного кольца почти недостижимо. Считается, что уплотнительное кольцо для вала диаметром 100 мм удовлетворяет требованиям герметичности, если в течение 24-часовой работы через уплотнение вытекает не более 0,2 см³ (0,2-10~⁶ м³)

Рис. 75. Сечение гидродинамического кольца с ребристой губкой [48]

жидкости. Допустимая утечка для колец с другими диаметрами рассчитывается исходя из предположения, что она находится в линейной зависимости от диаметра вала, причем возрастает

при увеличении диаметра вала.

При проектировании уплотняющей губки необходимо стремиться к тому, что бы уплотн ительн а я кромка во время работы оказалась в цлоскости действия прижимной пружины (рис. 79), а также к тому, чтобы объем резины в районе уплотняющей губки был минимальным при обеспечении необходимой жесткости, поскольку резина — это материал очень чувствительный к изменению условий эксплуатации. Тогда после посадки на вал уплотняющая губка подвергается некоторой деформации, симметричной по отношению к плоскости действия прижимной пружины.

Со временем, когда вступят в силу явления ползучести и релаксации, давление, вызванное напряжением растянутой губки, уменьшится до такой степени, что во внимание можно будет при-

могут вызвать шум в уплотнительных кольцах, уменьшение радиального давления вплоть до разгерметизации узла (рис. 81).

Оптимальная величина радиального давления зависит от всей системы конструктивных и материальных факторов, которые тщательно изучаются каждым ответственным производителем уплот-

нительных колец. Обычно оно выражается в единицах силы на 1 см длины периметра пружины. Некоторые производители устанавливают величину этого давления в пределах 300—400 Н/м.

Для уплотнений шведской фирмы «Стефа» с уплотняющей губкой типа А или В (рис. 82) это давление имеет значения, приведенные на рис. 83. В определенных условиях, например, когда уровень масла находится ниже нижней кромки уплотнения, когда уплотнение работает всухую или в силу других причин, незначительный шум, вызванный работой уплотнения, может превратиться в свист или визг, как в давно не смазываемых дверных петлях. Сила этого визга может быть столь значительной, что перекрывает общий шум, вызванный, например, работой двухтактного двигателя, когда кольца уплотняют коленчатый вал этого двигателя.

Причиной возникающего визга являются контурные колебания уплотняющей губки вследствие трения с частотой от 0 до 1000 Гц и отклонения от 0 до 10 мкм. В случае, когда масляная пленка между резиновой губкой и поверхностью вала чересчур тонка или имеет разрывы либо когда она вообще отсутствует, поверхность резины на мгновение зацепляется во многих точках, равномерно расположенных на контуре, с поверхностью вала, вследствие чего возникают местные удлинения элементов резиновой губки. Отрываясь затем от вала, резиновая губка начинает колебаться и при неблагоприятных условиях движения, с относительно большим моментом трения, может возникнуть явление резонанса.

С целью уменьшить шумы от уплотняющих колец в резиновую смесь добавляют смазочные средства, вводят спиральные пружины, которые создают радиальное давление переменной величины на контур вала, увеличивают твердость резины и т п.

Известно, что во многих случаях увеличение твердости резины с HSh 70 до HSh 80 может уменьшить шум, создаваемый уплотнением до требуемых пределов.

Уплотнительные кольца типа А с металлическим вкладышем жесткости выпускаются в соответствии с нормативом PN-72/M-86964, уплотнительные кольца в металлическом кожухе типа В — в соответствии с нормативом PN-72/M-86965.

Обозначают их, указывая тип А или 5, размеры в миллиметрах номинальных диаметров вала А и гнезда D, высоту кольца b и номер стандарта. Например: ,

Уплотнительное кольцо А 15x30X7 PN-72/M-86964

или

Уплотнительное кольцо В 12x30x10 PN-72/M-86965.

Технические требования для уплотнительных колец типа А и В содержатся в нормативе PN-66/M-86960. В соответствии с этим нормативом уплотнительные кольца предназначены для работы при манометрическом давлении до 0,1 МПа в масляной среде, смазке или автомобильном топливе при температуре от —30 до + 110° С, при окружной скорости вала до 12 м/с.

Если возникает необходимость в использовании уплотнительных колец с иными параметрами, за основу принимаются другие нормативные документы, например Технические условия ФИАТ 9.14617 или же результаты взаимной договоренности между заказчиком и производителем. Уплотнительные кольца с кожаным вкладышем выбираются из каталогов и проспектов производителя.

Материалы. Уплотнительные кольца типа А и вкладыши для колец типа В изготовляют из резины с HSh 70—80. Широкое применение находят резины из синтетических каучуков, чаще всего бутадиен-нитрильного, акрилового, силоксанового, фторка-учука.

Уплотнительные кольца из резины на основе бутадиен-нитрильного каучука обладают высоким сопротивлением воздействию масел и смазок, а также бензина и нефти, однако имеют пониженное сопротивление воздействию бензола.

Эти кольца работоспособны при температурах от —20 до + 125° С. Специальные модификации резины из этого каучука могут работать при температуре —35° С. Резины из бутадиен-нитрильного каучука с минеральными наполнителями выдерживают кратковременно температуру до +140° С. При температурах, ниже допустимой, резина становится твердой и хрупкой, но с возрастанием температуры ее свойства восстанавливаются.

Нагревание резинового вкладыша выше допустимых пределов только тогда не оставляет серьезных последствий, когда оно является эпизодическим, а время воздействия относительно коротким.

В противном случае резиновый вкладыш твердеет, на уплотнительной кромке появляются царапины и трещины (рис. 84) и уплотнения теряют герметичность. Скорость, с которой уменьшается работоспособность уплотняющего вкладыша, зависит от того, насколько выше допустимой температура и как долго она воздействует на резину. Вкладыши из резины, изготовленной на базе бутадиен-нитрильного каучука, часто используются в уплотняющих кольцах автомобилей.

Для колец, предназначенных для работы при температуре от —18 до +160° С при высоких окружных скоростях (примерно до 20 м/с), используются резины из акриловых каучуков. Они обладают сопротивлением воздействию гипоидного масла. Резины на основе акриловых каучуков в специальном исполнении могут работать-в диапазоне температур от —30 до +175° С

Рис. 84. Трещины на поверхности резинового вкладыша вследствие работы уплотнения при температуре выше допустимой [1, 2]

Кольца, предназначенные для работы при температурах более низких или высоких, чем названные выше, изготавливаются из резины на базе силоксановых каучуков. Хотя по механическим свойствам эти резины уступают резинам бутадиен-нитрильного каучука, однако они менее подвержены изменениям под влиянием температуры, что оказывает положительное влияние на долговечность уплотняющего кольца.

Силоксановые резины могут работать при температуре от —50 до +180° С. Специальные модификации работоспособны при температурах от —100 до +275° С. Параллельно с высокой стойкостью к воздействию температуры в самом широком диапазоне силоксановые резины обладают также сопротивлением воздействию масла и смазки, однако их нельзя рекомендовать для эксплуатации в среде горячей воды или водяного пара.

Для вкладышей уплотнительных колец, предназначенных для работы в особо сложных условиях, например для уплотнения коленчатых валов дизельных двигателей, в двигателях типа «Ван-кель» и т. п., используют резины из фторкаучука типа «Вайтон», которые могут работать при температурах от —25 до +200° С, а отдельные типы — от —45 до +250° С, обладают высоким сопротивлением воздействию масел и смазок, в том числе и гипоидных масел, автомобильного топлива, бензола и характеризуются хорошей стабильностью свойств при старении. Механические свойства этой резины идентичны свойствам резины из бутадиен-нитрильного каучука.

Недостатком резин из фторкаучука следует считать наличие технологических трудностей при производстве изделий сложной формы, а также высокую стоимость. Поэтому из этого каучука изготовляют изделия особо важные для машины. Резины на основе фторкаучука используют в тех механизмах, где замена уплотнения требует трудоемкого демонтажа, связанного с длительным простоем, поскольку ее долговечность значительно превышает долговечность уплотнений из других материалов.

Резины из натурального, бутадиен-стирольного каучука и ряда других не годятся для использования в уплотнительных кольцах автомобилей, поскольку под воздействием топлива, масел и смазки они набухают, что приводит к резкому падению механических свойств, а это, в свою очередь, является причиной разрушения уплотнения даже при небольших нагрузках.

Свойства резин,' применяемых .для уплотнительных колец, описаны в нормативе PN-66/M-86960. Среди типов резин' для уплотнительных колец, объединенных нормативами ФИАТа используются следующие: ТО 125-70 и ТО 125-80; ТО 175-70 и ТО 175-80; ТО 200-70 и ТО 200-80; TOF 125-70 и TOF 125-80; ТОР 125-70 и ТОР 125-80; ТОР 175-70 и ТОР 175-80, а иногда также резина TOPF 127-70 или TOPF 125-80, см. табл. 12. В этом случае уплотнительные кольца должны отвечать Техническим условиям ФИАТ 9.14617.

Металлические вкладыши колец типа'Л и металлические кожухи колец типа В изготавливаются из тонкой листовой стали в соответствии с PN-69/H-92121. Для кожухов колец, предназначенных для работы в среде, вызывающей интенсивную коррозию, используется бронза, легкие сплавы или нержавеющая сгаль.

Прижимные пружины изготавливаются из пружинной стальной проволоки в соответствии с PN-71/M-80057 и предохраняются от коррозии. Для пружин, предназначенных для работы в условиях, вызывающих интенсивную коррозию, используют оцинкованную пружинную проволоку, нержавеющую сталь и иногда бронзу.

Рекомендации по применению. Общие рекомендации. На уплотнительные кольца, используемые в автомашинах, могут воздействовать: масла и смазки минеральные, вода и антифризы, бензин или топливная смесь, состоящая из бензина и добавок, таких как масло, бензол, спирт. Температура воды и антифриза, а также автомобильного топлива не превышает 100° С, в то время как температура масла, сообенно в дизельных двигателях, может быть выше, а на уплотняющих кромках может превышать 150° С и даже 175° С. Уплотнительные кольца в стандартном исполнении обладают сопротивлением всем из перечисленных факторов, за исключением топлива', содержащего значительный процент бензола, если температура эксплуатации лежит в пределах от —30 до +110° С.

Когда возникает необходимость уплотнения системы, работающей на топливе с содержанием бензола, как это, например, имеет место в двухтактных двигателях, причем используется так называемая смесь БСБ (бензин—спирт—Оензол), для уплотнений следует выбирать резину из фторкаучука.

Если известно, что уплотняющая губка будет работать при температуре выше 110° С, для уплотнений используют резину ТО 125, TOF 125, ТО 175 или TOF 175, см. табл. 12.

Уплотнительные кольца для механизмов шасси выполняются, как правило, из резины ТОР 125 или ТОР 175, см. табл. 12.

В двигателях типа «Ванкель» находит применение резина ТО 200, см. табл. 12. Этот вид резины все чаще используется также в уплотнениях, предназначенных для двигателей внутреннего сгорания.

При проектировании уплотнения следует придерживаться следующих правил.

1. В новых конструкциях желательно использовать прежде всего уплотнения со стандартными параметрами, поскольку изготовление нестандартных уплотнений обходится чересчур дорого и требует много времени, необходимого для изготовления специальной оснастки.

2. Уплотнительное кольцо нуждается в смазке. Если предполагается работа, даже эпизодически, при сухом трении, следует использовать систему из двух колец, образующих камеру, куда подается смазка, как показано на рис. 85. Закраины уплотнитель-ного вкладыша должны быть установлены таким образом, чтобы смазка, подаваемая в пространство между уплотнениями, имела свободный выход, не вызывая избыточного давления в смазочной камере.

3. Уплотнительные кольца, независимо от типа, не приспособлены для работы при осевых нагрузках, и поэтому не требуют закрепления в гнезде. Исключением являются редко встречаемые кольца, выполненные целиком из резины, либо кольца в специальном исполнении.

4. Уплотняющие кромки должны обладать возможностью свободно деформироваться.

5. В случае, когда выпадение кольца из гнезда может привести к сложной аварии уплотняемого механизма либо когда вал работает в условиях возвратно-поступательного движения, или же если в уплотняемом механизме имеют место сильные колебания, следует отдать предпочтение уплотнительным кольцам типа В в металлическом кожухе. Уплотнительные кольца этого типа следует также использовать в тех случаях, когда при его постановке в гнездо оно протаскивается через канавку, предназначенную для размещения в гнезде расширительного кольца типа сегера и т. п. Не следует, однако, упускать из виду, что кольца этого типа дороже, чем уплотнительные кольца типа А. Если гнездо нуждается в особой защите, если возможны значительные временные перепады температур между кольцом и гнездом и отсутствует

возможность изготовить гнездо с требуемыми размерными допусками или с требуемой чистотой поверхности, предпочтение необходимо отдать уплотнительным кольцам типа А. Они же предпочтительны при уплотнении шарикоподшипников (рис. 86).

6. Гнездо должно быть спроектировано таким образом, чтобы иметь возможность насадить кольцо в плоскости, перпендикулярной оси вала. Для этой цели в гнезде следует предусматривать опорную поверхность (насадку), к которой кольцо может быть прижато во время монтажа (рис. 87). Кромки гнезда нужно скосить, чтобы при монтаже не повредить кольца.

7. Уплотнительное кольцо должно быть посажено как можно ближе к подшипнику. Ось кольца и ось отверстия для подшипника, опорная шейка подшипника и уплотняемая цапфа должны быть строго центрированы. Передвижение оси не должно превышать допустимых размеров.

8. Уплотняемая часть вала должна обладать высоким сопротивлением к истиранию, иметь гладкую поверхность без царапин, особенно продольных или спиральных.

9. Уплотнительная кромка должна быть повернута к уплотняемому рабочему телу. Если на поверхности губки нарезаны канавки, то направление вращения вала должно совпадать с направлением, указанным стрелкой на поверхности кольца.

Если существует необходимость разделения двух различных сред, например топливной смеси и смазки либо смазки и внешних загрязнений, используется система из двух уплотнительных колец, обращенных закраинами в разные стороны (рис. 88), либо двусторонние кольца.

10. Если в уплотняемой системе возникает избыточное давление, пусть даже незначительное, например больше, чем 0,05 МПа, есть смысл подпереть сгребающую губу опорным кольцом, как показано на рис. 89. Когда появляется опасение, что во время ра-

боты губка может попасть под воздействие сильной струи масла, например выжатого из подшипника или из блока зубчатых колес, используют отражатель (рис. 90 и 91), применение которого значительно улучшает условия работы уплотнительного кольца.

Рис. 89. Уплотнительное и опорное кольца

11. Если кольцо работает в условиях, при которых возникает опасность проникновения загрязнений извне, целесообразно применить оболочку для защиты кольца, которая крепится на вращающемся вале, создавая лабиринт, и приводит к отбрасыванию частичек песка, пыли и т. п. под воздействием центробежных сил (рис. 92). Иногда необходимо использовать, кроме этого, дополнительное уплотнение, предохраняющее от доступа грязи (рис. 93 и 94).

12. Для облегчения демонтажа кольца и защиты гнезда от повреждения в опорной стенке целесообразно проделать несколько отверстий (рис. 95).

13. Губки колец, монтируемых во время ремонта машины, не должны прикасаться к валу в том же месте, что и губки колец, используемых ранее. Этого добиваются, используя сменные втулки или дистанционные кольца (рис. 96).

14. Получение требуемого эффекта уплотнения зависит не только от качества уплотнительного кольца, но и от качества элементов, соседствующих с ним при работе. При необходимости в случае негативных явлений следует в равной мере анализировать при-

-поверхность достаточно тверда. Быстро вращающиеся валы должны иметь HRC 60. Их поверхность для получения необходимой твердости может быть хромирована, но этот прием эффективен только тогда, когда толщина слоя хрома составляет несколько десятых миллиметра.

Более тонкий защитный слой будет легко протерт уплотнитель-ной кромкой кольца, и произойдет разгерметизация узла. Поэтому в последнее время хромирование вращающихся валов практически не применяется. Однако рекомендуется хромирование валов,

работающих при возвратно-поступательном движении.

Существовавшее ранее мнение о том, что уплотнительное кольцо должно хорошо работать с валом из мягкой стали, оказалось не-

Рис. 94. Дополнительное уплотнение из пористого полиуретана [64]

верным. Кромка резиновой губки глубоко врезается в такой вал, и уплотнительное кольцо быстро разрушается.

Обычную конструкционную сталь можно использовать только для медленно вращающихся валов. То же относится к легким и цветным металлам. Работа уплотнительного кольца в контакте с чугуном возможна при условии, что поверхность чугунного вала не будет шероховатой либо пористой.

Там, где получение соответствующей твердости вала связано с повышенной трудоемкостью или неэкономично, может оказаться целесообразным использование стальных закаленных втулок, не подверженных коррозии и устанавливаемых на вал из мягкого металла (рис. 97). После истечения рабочего срока заменяют только втулку, работающую с уплотнительным кольцом.

Для работы с уплотнениями типа «Зиммеринг» не рекомендуется использовать втулки или валы из полимерных материалов.

Шероховатость поверхностей совместно работающих частей. Ввиду того, что внешний диаметр уплотнительного кольца выпол-няется с довольно большими отклонениями, не требуется большой точности изготовления и уплотняемого вала. Поэтому, если другие соображения не вынуждают к большей точности, для валов принимается допуск АН.

Значительно важнее иметь высокий класс шероховатости поверхности вала, особенно когда имеют место большие окружные скорости или когда кольцо работает при, пусть даже незначительном, избыточном давлении. Недопустимы любые царапины, особенно продольные или спиральные, черточки, коррозийные разъедания (рис. 98). Они могут возникнуть не только при неправильной обработке, но и при перемещении внутри предприятия готовых валов; поэтому рекомендуется временно предохранять шлифованную поверхность вала, например, картонной втулкой. Не рекомендуется использовать для этой цели самоклеющиеся ленты, так как после отрыва ленты от поверхности вала на нем остаются частицы клея. Дефекты на поверхности вала могут привести к проникновению масла под закраину уплотнительного кольца, после чего сохранение герметичности становится невозможным.

Обработка вала под уплотнительное кольцо на токарном станке, даже самом высокоточном, а также шлифование обычными методами (и даже полирование) не создают условий для получения абсолютной плотности прилегания. Вал под уплотнение следует шлифовать, используя исключительно радиальное движение шлифовальной планшайбы, т. е. планшайба не должна передвигаться вдоль обрабатываемой поверхности. Только таким образом можно избежать возникновения спиральных черточек.

Необходимая шероховатость поверхности тесно связана с окружной скоростью зависимостью, приведенной на рис. 99. Однако нет необходимости обрабатывать вал с точностью большей, чем Ra = 0,5 мкм.

Если шероховатость поверхности вала после обработки будет Ra = 0,25-=-0,5 мкм, то в процессе притирки уплотняющая губка настолько сгладит поверхность вала, что шероховатость Ra уменьшится до 0,05 мкм, что создаст условия для долговременной работы уплотнительного кольца.

Обработка резиновой губки. Резиновая губка уплотнения требует чрезвычайно тщательной отделочной обработки, которую

Рис. 97. Использование закаленной стальной втулки для совместного функционирования с уплотнительным кольцом [64]

Рис. 98. Дефекты поверхности вала [1, 2J: а— коррозия; б— царапины; в— язвы; г— осевые трещины

выполняют методом шлифования при помощи двух цилиндрических шлифовальных планшайб, установленных под соответствующим углом, либо методом отрезания излишка резины. От чистоты этой

обработки зависит очень многое. Любые, даже невидимые невооруженным глазом кусочки резины могут попасть под кромку уплотняющей губки во время монтажа кольца и привести к появлению зазора между губкой и поверхностью вала, вследствие чего теряется герметичность уп-

лотняемого узла. Обработка резиновой губки — это высокое искусство, которым в полной мере овладели весьма немногие фирмы.

Предпринимаются попытки усовершенствования технологии производства уплотнений, в том числе с использованием метода заливки резины в прецизионные формы, что освобождает от необходимости обработки резиновой губки.

Соотношение размеров вала и уплотнительного кольца. Уплотнительное кольцо только тогда обеспечит герметичность системы, когда резиновая губка создаст необходимое давление на поверхность вала. Это давление возникает при растяжении кромки губки кольца, поскольку ее внутренний диаметр мень-

ше диаметра вала. Разница диаметров отверстия уплотнительного кольца и вала указана в табл. 21.

По мере работы уплотнительного кольца накапливается остаточная деформация резиновой губки, вследствие чего уменьшается удельное давление кромки на вал. Это неблагоприятное явление еще более усиливает износ губки. Чтобы не допустить потери герметичности, упругое воздействие резины усиливают действием пружин.

Давление резиновой губки на вал ведет к возникновению довольно значительного трения, для преодоления которого необходима определенная сила.

Величина этой силы зависит от частоты вращения и диаметра вала.

Эту зависимость иллюстрирует график на рис. 100 и нижеследующая ориентировочная формула [67]:

где N — мощность, затрачиваемая на трение в уплотнительном кольце, Вт; d — диаметр вала, мм; п — частота вращения вала, мин"¹.

Рис. 100. Мощность Р, затрачиваемая на преодоление трения в уплотнительном кольце в зависимости от окружной скорости вала v [64]

Руководствуясь графиком, можно определить потери мощности. Например, для вала с диаметром 80 мм при частоте вращения 3000 мин"¹, т. е. при окружной скорости 12,56 м/с, потеря мощности на трение составляет около 150 Вт, а для вала с диаметром 100 мм, при частоте вращения 4000 мин"¹, т. е. при окружной скорости 20,9 м/с, потеря мощности на трение составляет 315 Вт.

В особых случаях, когда необходимо уменьшить до минимума потери мощности двигателя на трение в уплотнительных кольцах транспортного средства, разницу в диаметрах вала и уплотнитель-ной кромки уменьшают приблизительно на 25% по сравнению со значениями, приведенными в табл. 21.

Уменьшения потерь мощности при трении можно добиться путем использования прижимной пружины с меньшей, чем у обычной, жесткостью. Лри этом следует, однако, считаться с некоторым сокращением долговечности кольца.

Когда вал после более или менее длительного перерыва приходит в движение, момент трения, а затем и мощность, затраченная на преодоление трения в кольце, могут сначала возрасти в два-три раза (рис. 101). Трение кромки о вал вызывает локальный

рост температуры уплотнения. Эта температура в районе уплотняющей кромки может на несколько десятков градусов превышать температуру среды, окружающей уплотнение (рис. 102 и 103). Этот местный рост температуры ускоряет старение резины. Если температура уплотнительного вкладыша постоянно превышает температуру, допустимую для этой модификации резины, на кромке появляются трещины и герметичность системы нарушается. В некоторых случаях с тем, чтобы понизить температуру, до допустимых пределов, возникает необхоимость в искусственном охлаждении вала или уплотнения при помощи направленной струи воздуха.

Гнездо под уплотнительное кольцо. Диаметр гнезда под кольцо выполняется с допуском Я5, независимо от типа кольца. Желательно иметь шероховатость поверхности отверстия < 3 мкм.

Рис. 102. Прирост температуры на уплотнительной кромке в зависимости от частоты вращения при условии работы: масло для двигателей SAE20, температура в масляном картере 100° С, уровень масла до середины вала [64]

Точная посадка кольца в плоскости, перпендикулярной к оси вала, требует наличия в гнезде соответствующей опорной поверхности (рис. 104). Размеры гнезда даны в табл. 22. С целью облегчить монтаж снимают фаску в гнезде и на вале (рис. 104 и табл. 23).

Допуск на натяг. Плотность посадки уплотнительного кольца в гнезде обеспечивается его установкой с натягом. Допуск на на-гяг нё одинаков для различных модификаций колец при одной и той же точности выполнения отверстия в соответствии с Н8. Его значение определяется по нормативам.

Для того чтобы получить нужный допуск, внешний диаметр кольца в металлическом кожухе корректируется при помощи токарной обработки или круговой шлифовки.

Центровка. Идеально сцентрированная посадка уплотнительного кольца на вращающийся вал не представляется возможной. При работе возникают два явления, нарушающие соосность.

Во-первых, это биение е_г шейки уплотняемого вала, вызванное неточным ее выполнением. Во-вторых — взаимное перемещение е₂ оси уплотнительного кольца и подшипника, в котором вращается вал.

Величина допустимого биения е_± приведена на рис. 105. С точки зрения долговечности кольца важно также иметь в виду перемещение е₂ (рис. 106) и суммарное отклонение от соосности системы, т. е. величину е_х + е_ъ приведенную на рис. 107, которая зависит как от диаметра, так и от частоты вращения шейки вала.

Допустимая окружная скорость, температура и давление. Значение допустимой окружной скорости вала, работающего с уплотнительным кольцом, зависит исключительно от теплостойкости резины, из которой изготовлено кольцо. При определении температуры кольца необходимо учитывать, что температура на уплот-нительной кромке (а именно ее следует принимать во внимание) может быть на 20—60° С выше максимальной температуры среды, окружающей уплотнение.

Температура кольца зависит от ряда факторов, влияющих на количество тепла, которое выделяется во время работы уплотнения. Среди этих факторов наиболее существенную роль играют следующие: форма уплотняющей губки; температура среды; избыточное давление в уплотняемой системе; окружная скорость; удельное давление; способ смазки уплотняющей губки; состояние поверхности вала; материал вала и его теплопроводность; интенсивность теплоотвода от соприкасающихся при работе поверхностей.

Для уплотнительных колец из резин на основе бутадиен-нит-рильного каучука допустимая окружная скорость вала составляет 12 м/с, из резин на основе акриловых каучуков — 20 м/с, а из резин на основе силоксановых каучуков и фторкаучука — 35 м/с. Стандартные кольца, включенные в нормативы PN, могут работать при окружной скорости до 12 м/с. Ориентировочный диапазон допустимых окружных скоростей валов, работающих с уплотни-тельными кольцами из разных материалов, указан на рис. 108. Величину окружной скорости в зависимости от диаметра шейки вала и частоты вращения можно определить по графику, приведенному на рис. 109.

Уплотнительные кольца в обычном исполнении в основном предназначаются для работы при давлении рабочего тела в пределах 0,03—0,05 МПа, допускается, однако, временное повышение давления жидкости примерно до 0,1 МПа.

В случаях, когда в расчет принимается работа при более высоком давлении, рекомендуется подпереть уплотняющий вкладыш опорным кольцом, которое ограничивает избыточную деформацию (рис. 110) или выталкивает наружу закраины уплотнения. Форма опорного кольца должна соответствовать форме резинового вкладыша. Использование опорного кольца делает возможной работу уплотнения при избыточном давлении до 0,4—0,5 МПа. Ту же роль может выполнить соответствующая формовка металлического

Размеры вала под уплотнительное кольцо

Таблица 23

Рис. 107. Допустимое суммарное отклонение от соосности системы в зависимости от частоты вращения и диаметра вала [64]

Рис. 108. Диапазоны скоростей валов при использовании различных видов резины для уплотнительных колец на основе каучуков [67]:

1 — снлоксанового; 2 — акрилового; 3 — бутадиен-нитрильного

кожуха. Однако увеличение давления неизбежно ведет к росту давления кромки на вал и, следовательно, к увеличению трения и повышению температуры резинового вкладыша.

Долговечность уплотнения не уменьшится, если для компенсации повышенного давления оно будет работать при более низкой окружной скорости вала. Эту закономерность иллюстрирует график на рис. 111. Из графика следует, что, например, уплотнительное кольцо, предназначенное для функционирования при максимальной окружной скорости вала = 10 м/с и атмосферном давлении, может работать при избыточном давлении 0,2 МПа только тогда, когда окружная скорость вала будет составлять около 20% скорости v_i9 т. е. только 2 м/с. При другой ситуации следует считаться со значительным сокращением долговечности уплотнительного кольца.

Для колец типа А эта зависимость выглядит иначе, поскольку у них уплотняющие губки гораздо эластичнее. Для каждой кон-

Рис. 111. Допустимая окружная скорость вала в зависимости от разницы давлений [154]

струкции кольца рассматриваемая зависимость устанавливается экспериментальным путем.

Когда уплотняемый вал находится в состоянии покоя, можно допустить кратковременный рост давления до 1,5—2 МПа. Такое высокое давление лучше выдерживают уплотнительные кольца в металлическом кожухе.

Рис. 114. Уплотнение двухтактного двигателя [33]

Рис. 115. Уплотнение двигателя «Ванкеля» [33]

Примеры применения. Примеры наиболее частого применения уплотнительных колец в конструкциях автомобилей изображены на рис. 112—121.

Рис. 118. Уплотнение ступицы переднего колеса [33]

Рекомендации по монтажу. Монтаж следует проводить со всей тщательностью и осторожностью, чтобы не повредить уплотнительное кольцо при вводе на вал и посадке в гнездо. Следует также проследить, чтобы губка не подогнулась и свободно облегала вал. Уплотняющую кромку и вал покрывают слоем смазки. Рекомендуется также перед монтажом погрузить кольцо в масло.

Все острые края,.над которыми в процессе монтажа будет продвигаться кромка уплотнительного кольца, необходимо закруглить. Это относится также ко всякого рода буртикам или канавкам, а также отверстиям. Если уплотнительное кольцо будет

двигаться над винтовои нарезкой на вале, то на нее предварительно необходимо насадить втулку из металла или пластика. Подобные

Рис. 120. Уплотнение червячного механизма привода грузового автомобиля [61, 64]

втулки (рис. 122 и 123) с коническим вводом следует также использовать в случае, когда кольцо монтируется уплотнительной губкой вперед на валик с канавкой для шпонки или с выступом. Внешний диаметр вспомогательной втулки должен тогда быть несколько больше диаметра вала.

Рис. 126. Пуансон для посадки кольца губкой вперед в гнездо с опорной поверхностью

Рис. 127. Пуансон для посадки кольца губкой назад в гнездо с опорной поверхностью

Рис. 128. Пуансон для посадки кольца в закрытом металлическом кожухе

Для установки уплотнительных колец в гнезда необходимо использовать механические или гидравлические приспособления, а также пуансоны и шайбы, предохраняющие кольца от деформа-

ции (рис. 124—128). Диаметр пуансона (рис. 126) должен быть меньше внешнего диаметра кольца примерно на 2 мм. При монтаже кольца в глубокое гнездо необходима центровка оправки, ее внешний диаметр должен быть только на 0,5 мм меньше диаметра уплотнительного кольца. Внешний диаметр D_x оправки (рис. 127) должен быть примерно на 0,5 мм меньше внешнего диаметра оболочки при измерении на кольце.

Правильно смонтированное кольцо должно обеспечивать герметичность системы. Однажды установленные кольца не могут быть использованы для повторного монтажа.

4.2. Уплотнительные кольца типа 0

Конструкция. Уплотнительные кольца типа О имеют круглое сечение (рис. 129) и используются в неподвижных соединениях, а также для уплотнения узлов с валами, совершающими возвратно-поступательные движения при скорости не больше чем 60 циклов/мин или 0,2 м/с. Они также могут применяться в узлах, где имеются вращающиеся валы с окружной скоростью не больше чем несколько метров в секунду.

В неподвижных соединениях кольца типа О обеспечивают плотность при гидравлическом постоянном или переменном давлении до 35 МПа. При возвратно-посту-пательном движении уплотнение работоспособно при гидравлическом давлении до 35 МПа при условии обеспечения необходимой шероховатости поверхности соприкасающихся при работе металлических деталей. В условиях вращательного движения кольца типа О создают герметичность при давлении до 6 МПа.

Диапазон использования уплотнительных колец типа О постоянно растет. Их применяют при герметизации соединений, где имеются масла, смазки, топливо, тормозные и амортизаторные жидкости с температурой от —40 до +200° С [32, 111 ].

Уплотнение соединения происходит в результате упругой деформации кольца из резины, посаженного в канавке с прямоугольным или треугольным сечением и зажатого между уплотняемыми поверхностями. Под влиянием давления рабочего тела резиновое кольцо деформируется и закрывает зазор между двумя поверхностями (рис. 130).

F Кольца выпускаются в широком ассортименте, с внутренним диаметром D от десятых долей миллиметра до нескольких сот миллиметров и с диаметром сечения d от 0,5 до 20 мм в соответствии с PN-60/M-86961. Основные размеры стандартизованных уплотнительных колец с круглым сечением, предназначенных для уплот

нения неподвижных соединений, приведены в PN-64/M-73093, а колец, сконструированных исключительно для подвижных соединений,— в нормативе PN-60/M-86961.

Рис. 130. Уплотнительное кольцо, установленное в канавку (а); в деформированном состоянии (б) и под воздействием уплотняемого рабочего тела (в)

Разница между диаметрами d уплотнительного кольца, замеренными в двух произвольно взятых сечениях, не должна превышать допуск на диаметр йдля неподвижных соединений либо поло-

вины допуска диаметра d для подвижных соединений. Овальность сечения кольца с диаметром d не должна превышать половины допуска на диаметр d для неподвижных соединений. Когда рассматриваются кольца для

Таблица 24

подвижных соединении, овальность недопустима вообще.

Толщина облоя в месте разъема пресс-формы не должна быть больше размеров, указанных на рис. 131 для неподвижных соединений. У колец для подвижных соединений наличие облоя недопустимо.

Смещение отдельных частей пресс-формы по месту разъема допускается только у колец для неподвижных соединений, причем его величина должна находиться в пределах значений^ приведенных на рис. 132 и в табл. 24. 94

Сумма действительной разницы диаметров d и допустимого смещения b не должна превышать допуск на диаметр d. У колец для подвижных соединений смещение в месте разъема пресс-формы недопустимо.

Материалы. Кольца типа О выпускаются из резин с HSh 50— 90, изготовленных из синтетических каучуков (чаще всего из бу-тадиен-нитрильного), устойчивых к воздействию воды, масел, смазок и температур в диапазоне от —35 до +125° С.

Кольца, предназначенные для работы в контакте с водой, водяным паром, спиртом, а также с воздухом и в вакууме при температуре от —50 до +150° С, изготавливаются из резин на базе бу-тилкаучука.

Для.уплотнительных колец, работающих в среде масел и смазок при температуре от —50 до +180° С, используются резины из силоксановых каучуков ¹.

В исключительных случаях, когда уплотнитель работает в контакте с бензолом или топливом, содержащим бензол, находят применение резины из фторкаучука. Они устойчивы также к воздействию любых других факторов, могущих возникнуть при производстве или эксплуатации автомобиля, а также в интервале температур от —45 до +250° С.

Твердость — один из основных показателей, определяющих характеристику резины. Поверхности, обладающие значительной шероховатостью, удается уплотнить лучше, если использовать кольца из мягкой резины с HSh 50—60, при этом следует учесть, что они менее долговечны. Для герметизации узлов с элементами, между которыми существует большой зазор, более пригодна резина, обладающая HSh 80—90. При небольших давлениях для уплотнительных колец целесообразнее использовать мягкую резину с HSh 60, а при больших — резину с HSh 80—90. С точки зрения сопротивления истиранию выгоднее всего применять резину с HSh 70—80.

Поскольку заранее трудно предвидеть условия, в которых будет находиться уплотнитель, многие производители выпускают кольца типа О из резины с компромиссной твердостью HSh 70. Другие подбирают твердость в зависимости от давления уплотняемого рабочего тела и в соответствии с табл. 25 для неподвижных соединений, причем для пульсирующего давления не применяется резина с твердостью меньше, чем HSh 80. Для подвижных соединений используются данные, приведенные в табл. 26. Эти данные относятся к кольцам гидравлических или пневматических узлов при возвратно-поступательном движении вала. Те же значения годны, если имеется вращательное либо колебательное движение, которое, однако, происходит в течение короткого промежутка времени.

Рекомендуемую твердость можно определить по рис. 133 и 134. Свойства резины, предназначенной для работы в среде масел, смазок и автомобильного топлива, указаны в PN-66/M-73092, а также в нормативах ФИАТа, см. табл. 12.

Таблица 25

Твердость резин колец типа О для различных давлений в неподвижных соединениях [66]

Таблица 26

Твердость резин колец типа О

для различных давлений в подвижных соединениях [66]

Детали, совместно работающие с кольцами типа О, изготавливаются из углеродистой и легированной стали. В качестве материала не могут быть использованы металлы, содержащие медь.

Это обусловлено тем, что медь взаимодействует со свободной серой, содержащейся в резине, в результате чего уменьшается сопротивление кольца истиранию и усталостная прочность.

Твердость металлических деталей в подвижных соединениях должна быть не менее HRC 60; в статических соединениях она может быть меньше.

Рекомендации по применению. Ниже приводятся рекомендации по применению уплотнительных колец.

1. Уплотнительное кольцо типа О чаще всего устанавливается в канавке с прямоугольным сечением (рис. 135 и 136), реже — в канавке с треугольным сечением (рис. 137), которая возникает в результате снятия фаски на одном из элементов соединения, или в канавке с трапецеидальным сечением (рис. 138), когда требуется постоянный захват кольца. Если выполнение канавки с прямоугольным сечением затруднительно, можно допустить небольшой откос стенок, но не больше чем 5°.

Поперечное сечение канавки должно быть больше поперечного сечения резинового кольца, чтобы внутреннее давление могло воздействовать на возможно большую часть поверхности кольца

Рис. 136. Положение кольца типа О в прямоугольной канавке

(рис. 139). Также следует принимать во внимание возможность некоторого прогиба резины под воздействием уплотняемого рабочего тела и повышенной температуры.

«рис. 135 и 136 и в нормативе PN-60/M-86961, а также в каталогах и фирменных инструкциях.

Шероховатость поверхности канавки, отмеченная на рис. 135, относится также и к неподвижным соединениям. Радиус дна канавки составляет 0,25 мм для канавок шириной до 3 мм и 0,6 мм для канавок шириной более 3 мм.

Рекомендуемые конструкции уплотнений с помощью колец типа О гидравлических цилиндров показаны на рис. 140. При проектировании канавок для фланцевых соединений необходимо учесть направление действия давления, чтобы избежать излишнего перемещения кольца,в канавке (рис. 141). Если давление действует изнутри, то внешний диаметр канавки должен быть равен или увеличен не более чем на 1% по сравнению с внешним диаметром кольца. Если давление действует извне, то внутренний диаметр канавки должен быть равен или увеличен не более чем на 1% по сравнению с внутренним диаметром кольца. Некоторые примеры конструкций уплотнений при помощи колец типа О приведены на рис. 142—147.

3. Проектируя соединения, следует иметь в виду легкость установки кольца типа О, которое при этом не должно удлиняться

Рис. 141. Рекомендуемое положение кольца в канавке:

1 — при давлении, действующем извне;

2 — при давлении, действующем изнутри

больше чем на 100% по отношению к внутреннему диаметру кольца. После посадки резиновое кольцо не должно иметь удлинение более 5%.

4. Хотя уплотнительное кольцо может работать при давлении, меняющем направление, рекомендуется проектировать системы с двумя уплотнительными кольцами, каждое из которых предназначено для сопротивления давлению в одном из направлений.

5. С точки зрения соблюдения герметичности абсолютно безразлично, насажено ли кольцо на поршень или находится в цилиндре. Принимая решение по этому вопросу, следует иметь в виду,

Рис. 142. Уплотнение подвижного и неподвижного соединений [1]

Рис. 145. Уплотнение валика [1]

Рис. 146. Уплотнение втулки цилиндра двигателя внутреннего сгорания кольцами типа О [63]

что защемление резины в зазоре между движущимися поверхностями, когда кольцо установлено в цилиндре, наблюдается: при давлении меньше на 30—40%, чем в случае его посадки на поршень.

6. Величину силы, необходимой для деформации кольца типа О при его установке, можно определить по графику, приведенному на рис. 148.

проникает в зазор между уплотняемыми элементами и кольцо разрушается (рис. 149).

В случае, когда использование посадок, перечисленных во втором пункте, представляется невозможным, величину зазора можно уменьшить, вводя в паз под уплотнительное кольцо прямые

или фасонные щечки из полимерных материалов, например политетрафторэтилена или т. п. Можно при этом воспользоваться данными, приведенными на рис. 133 и 134. Иногда достаточно только одной щечки (рис. 150). Тогда расположить ее следует так, чтобы уплотнительное кольцо оказалось со стороны воздействия давления. Если же давление действует с обеих сторон, вводятся щечки с обеих сторон кольца. Как правило, они употребляются при давлениях более 10 МПа.

8. В связи с тем что кольцо во время работы подвержено перемещениям в пазу, металлические поверхности, соприкасающиеся при работе с резиновым кольцом, должны иметь высокий класс шероховатости, иначе резина быстро разрушится. Рекомендации по этому поводу приведены на рис. 135 и 136.

9. Чтобы не порезать резиновое кольцо во время монтажа, все острые края металлических элементов, по которым будет передвигаться резиновое кольцо, следует закруглить или снять с них фаску (рис. 151). Если при монтаже кольцо типа О необходимо продвигать через винты, канавки и т. п., необходимо применить монтажные втулки из картона или полиэтилена, которые защитят резину кольца от повреждения.