Классификация уплотнений

Таблица 1.2

Продолжение табл. 1.2

Продолжение табл. 1.2

3) типы по назначению герметизируемого соединения;

4) группы по особенностям механизма герметизации;

5) подгруппы по основным конструктивным признакам;

6) виды по конкретным конструкциям. Число подгрупп и видов уплотнений

значительно больше, чем указано в табл. 1.2. На рис. 1.3 показана структура классификации на примере плавающего кольца щелевой группы. Пример классификационной структуры для резиновой манжеты, используемой в соединениях для передачи вращательного движения (УВ): класс - контактная; подкласс - эластомерная; группа - манжета с пружиной; подгруппа - резино-металлическая армированная с антифрикционным модифицированием (фторирование); вид - с пыльником, с гидродинамической насечкой на рабочей кромке; подвид - исполнение... по OCT....

Обычно в наименовании уплотнения указывают группу, подгруппу и вид,

I Класс

Подкласс

Бесконтактные I

Проточные]

Донапическйё

I Группа [подгруппа

I Вод

-Л ,

Лабиринтные

Щелевые

, [ ;

I Втулки I [ неподвижные

Жидкостные

Кольца плаваюш,ое

группировки

С уплотнением по 1"ори,у

Рис. 1.3. Пример классификации уплотнений (плавающее кольцо щелевой группы)

например: комбинированное манжетное уплотнение с защитным кольцом.

Для кодирования уплотнений в общесоюзном классификаторе продукции [59] установлены высшие классификационные группировки (ВКГ ОКП). Для формовых резинотехнических изделий установлена группа с кодом 253100, включающая, в частности, подгруппы со следующими кодами: 253111 - кольца уплотнительные; 253120 - манжеты и воротники резиновые; 253130 - манжеты ре-зинометаллические; 253140 - уплотнения резинотканевые; 253150 - чехлы; 253160 - уплотнители; 253161 - прокладки резиновые; 253180 - диафрагмы резиновые и заготовки из мембранного полотна.

Для набивочных уплотнений и прокладок, являющихся продукцией асбесто-технической промышленности, установлена группа с кодом 257000, включающая, в частности, подгруппы с кодами: 257200 - набивки (сальниковые) асбестовые; 257250 - набивки асбестовые проволочные пропитанные, фтор-содержащие; 257500 - паронит; 257550 - паронит армированный (ферронит); 257722 - прокладки из полотна асбестового армированного; 257740 - прокладки спирально-навитого типа.

Для торцовых механических уплотнений, комплектно изготавливаемых на заводах нефтехимического машиностроения, установлена группа 363938 ВКГ ОКП.

В международной библиографической системе УДК уплотнениям отведен определенный подкласс: УДК 621...62-762 (621 - раздел машиностроение, 62-762 -подкласс уплотнения). В системе МКИ с целью упорядоченного хранения

патентных документов и избирательного распределения информации для уплотнений также отведены определенные подклассы в разделе F (механика...): F 16J 15/00 - уплотнения узлов машин; F 02 11/00 - уплотнения двигателей и силовых установок; F 04G 27/00 - уплотнения роторных гидромашин [53].

Рабочая, окружающая и разделительная среды. Рабочая среда (Р) - вещество внутри, окружающая среда (А) - вещество вне герметизируемого объекта. Каждая среда характеризуется определенным агрегатным состоянием основной фазы (жидкое, газообразное, твердое - сыпучее, плазменное), физическими параметрами и химическими свойствами. Обычно в основной фазе находятся загрязнения, поэтому система всегда является двух- или трехфазной (например, в жидкости взвешены твердые частицы и пузырьки газа). Среду, состоящую из предусмотренной смеси нескольких веществ в разных состояниях (например, мелкодисперсные ферромагнитные частицы в жидкости, коллоидные растворы и т. д.), называют композиционной. При взаимодействии сред между собою и с материалами уплотнения возможны недопустимые химические реакции, изменение физического состояния и т. п. В этом случае среда Р является несовместимой со средой А или материалами уплотнений. Пригодность материалов для работы в условиях взаимного контакта называют совместимостью. В течение заданного срока эксплуатации свойства материалов должны изменяться (вследствие взаимодействия со средами) в установленных пределах. При несовместимости сред А и Р в конструкции агрегата предусматривают гидравлический или газовый затвор, заполненный разделительной средой Б (иногда ее называют запирающей или буферной средой). В уплотнениях некоторых типов разделительная среда может находиться в разных агрегатных состояниях при работе и остановке объекта (например, в гидрозатворах с легкоплавким уплотнителем).

Параметры и физические свойства

среды. Основные параметры - давление р, температура & и концентрация загрязнений q - влияют на комплекс теплофизических свойств среды (плотность р, вязкость ц, сжимаемость р, теплоемкость с, теплопроводность "к, температура фазового перехода 9;, проницаемость D, температуры структурных преобразований 9с, свойства на границе сред - растворимость h, поверхностное натяжение а, адгезионная способность а).

Зависимость состояния среды от указанных факторов обозначают: для рабочей среды Р {р, 9, ц, р,...}; для внешней среды Л {ро, 9о, Uo, ро,...}; для разделительной среды Б {р, 9, ц, р,...}. Экологические свойства среды оценивают уровнем токсичности, взрыво-пожароопасности, запахом, степенью запыленности и другими показателями. Диапазоны давлений и температур сред, в которых работают уплотнения, чрезвычайно широки. Так, в криогенной технике сжижение, хранение и транспортирование жидких газов происходит при температуре ниже 120 К (-153°С), высокий и сверхвысокий вакуум с давлением р = 10...10" Па получают при температуре 4 - 8 К. Применяют рабочие среды с температурой 10 -Ю К (низкотемпературная плазма, жидкие металлы), с давлением 250-600 МПа (насосы и компрессоры технологического оборудования). Обычно в гидросистемах, работающих в диапазоне температур окружающей среды от -50 (-80) до 250 °С (300 °С), давление рабочей жидкости достигает 40 (65) МПа.

Эксплуатационные характеристики уплотнения. Основными характеристиками уплотнений являются:

среды, в которых уплотнение работоспособно (см. гл. 2 и 6);

герметизирующая способность, оцениваемая удельной через единицу периметра) утечкой Q либо утечкой через единицу площади (за единицу времени) в установленных условиях Р {ро, 9о} (см. подразд. 1.5);

диапазон температур окружающей среды (см. подразд. 6.1 и 6.4);

диапазон температур рабочей среды;

диапазон давлений окружающей среды;

диапазон давлений рабочей среды;

кинематические параметры герметизируемого соединения и уплотнения: значение и направление относительных перемещений, их скорости, ускорения;

нагрузочные параметры герметизируемого соединения и уплотнения: удельное усилие, контактное давление, экстремальные (ударные) нагрузки;

режим трения, критерий режима (см. подразд. 1.4);

экологические требования: ограничения утечек вследствие токсичности, взрывопожароопасности и т. д.;

гарантированный срок службы в установленном режиме или наработка по суммарному пути рабочего органа (см. подразд. 1.5);

срок эксплуатации.

Номинсиьными называют параметры Рн> v„, 9н. при которых объект должен работать в течение установленного ресурса. При переменных параметрах р, V, S, So различают эквивалентные

р.МПа 50

o,ot

0,005

экв» экво)» средневероятные

максимальные (р,

тах) тах о)

и экстремальные (р,,, v„,,, 9„ахэ, Эотахэ) их значения. Методы их расчетов зависят от класса машин. Экстремальные значения параметры принимают крайне редко, но даже при весьма кратковременном их действии ушют-нение не должно выходить из строя. В гидросистемах ориентировочно Ри * Рэкв ~ Ртах/2. Рабочес давление р< 10 МПа условно называют низким, р < 25 МПа - средним, р < 40 МПа -высоким и р > 40 МПа - сверхвысоким.

Для оценки показателей качества различных уплотнений применяют критерии сравнения (см. подразд. 1.5). Основные эксплуатационные характеристики уплотнений различных видов показаны на рис. 1.4 (данные усредненные).

Уплотнения одного класса имеют общий механизм герметизации, а следовательно, общие эксплуатационные характеристики, структурные схемы и математические модели (рис. 1.5). Для бесконтактных уплотнений (см. рис. 1.5, а) характерно наличие большого зазора между герметизируемыми полостями, заполненного жидким, газообразным

6 7

1,2 3,1,

тс те

го г, м/с

0,4 600

500 200 100

Типы уплотнений Таны уплотнений

) 6) >)

Рис. 1.4. Пределы применения уплотнений:

а - по скорости и давлению; б - по герметичности; в - по температуре; / - кольца эластомерные (УПС); 2 - манжеты эластомерные (УПС); } - манжеты резиновые армированные (УВ); 4 - то же, с защитным кольцом; 3 - кольца металлические поршневые разрезные (УВ, УПС); б - (УПС, УВ) набивочные уплотнения; 7 - уплотнения механические торцовые (УВ); Я - прокладки механические (УН)

Рис. 1.5. Принципиальные схемы уплотнений различных классов:

а - бесконтактные; б - контактные; в - разделительные

или композиционным уплотнителем Б {р, 9, ц...}. Механизм герметизации основан на создании в уплотнителе сил Apj,, противодействующих давлению Др, вызывающему утечку Q. Область применения этих уплотнений ограничена свойствами материала уплотнителя-(например, температурой кипения и застывания жидкости), а также возможностями создания противодействующих сил (например, центробежных, возникающих только при вращении вала). Обычно эти уплотнения применяют в качестве первых ступеней УВ или УПС с целью снижения давления перед основным уплотнением, обеспечивающим герметичность.

Контактные уплотнения (см. рис. 1.5,6) отличаются наличием уплотнителя I (здесь эластомерного кольца), плотно поджимаемого специальным силовым элементом 2 к герметизируемым поверхностям. Вследствие малости (или отсутствия) зазора между герметизируемой поверхностью и уплотнителем обеспечивается хорошая герметичность, но в подвижных соединениях развивается значительное трение. Механизм герметизации определяется процессами в зоне контакта: контактной диффузией и течением среды по микроканалам. Разделительные уплотнения (см. рис. 1.5, в) представляют собою твердые (упругие или высокоэластичные) диафрагмы между федами. Механизм герметизации определяется диффузионными процессами в уплотнителе. Диафрагмовые уплотнения обеспечивают самый высокий уровень

•герметичности, но ограничивают возможные перемещения элементов.

Подразделение уплотнений на классы имеет условный характер, так как существуют комбинированные уплотнения, в которых сочетаются элементы разных классов, а также уплотнения, механизм герметизации которых зависит от режима работы. Например, торцовые гидростатические уплотнения при остановке и малой частоте вращения являются контактными, а в основном режиме - бесконтактными.

Контактные уплотнения создают в сопряжении деталей зону замкнутого непрерывного контакта по периметру уплотняемых поверхностей, поэтому в их конструкции должны быть специальные элементы: уплотнитель, выполняющий функцию герметизации, и силовой элемент, обеспечивающий контактное давление р. Принципиальная схема контактного уплотнения показана на рис. 1.6, а. С подвижной уплотняемой поверхностью Я контактирует уплотнитель / под воздействием силового элемента 2; с неподвижной уплотняемой поверхностью Я контактирует вспомогательное уплотнение 3. В конструкции могут быть также вспомогательные детали 4 - мембранные (рис. 1.6, а) или каркасные (рис. 1.6,6). Конструктивная реализация принципиальной схемы зависит от материала и формы уплотнителя (рис. 1.6,6 -з). Эксплуатационные свойства контактных уплотнений в первую очередь определяются свойствами материала уплотнителя, поэтому материал входит в название уплотнения, определяет его подгруппу (см. табл. 1.2). Уплотнения каждой группы могут быть выполнены из разных материалов, что приводит к образованию многочисленных подгрупп. Например, манжета УПС резиновая, резинотканевая, резиновая с антифрикционным модифицированием и т. д. Видовое подразделение уплотнений по конкретным конструктивным признакам для колец и манжет отражает прежде йсего форму профиля сечения (круглое,