книги / Элементы гидравлических систем и объёмного гидропривода

4.3.1. Уплотнения неподвижных соединений

Основу неподвижных уплотнительных устройств составляют:

1)герметик (вещество с высокой адгезией к соединяемым деталям и нерастворимое в рабочей жидкости);

2)прокладки из различных материалов и разной конфигурации;

3)кольца из эластичного материала;

4)уплотнительные шайбы;

5)самоуплотняющаяся конусная резьба;

6)контактное уплотнение.

Для обеспечения герметичности плоские стыки чаще всего уплотняют листовыми прокладками из упругого материала. На листовые прокладки ставят крышки маслосодержащих резервуаров, работающих под избыточным давлением или вакуумом, фланцы трубопроводов.

Прокладочный материал выбирают в зависимости от условий работы, величины давления и температурного режима. Для уплотнения соединений общего назначения, например крышек гидробаков, применяют прокладочную бумагу толщиной 0,05...0,15 мм, кабель-

ную бумагу (бумагу, пропитанную бакелитом или другими синтетическими смолами), прокладочный картон толщиной 0,05...1,5 мм

или прессшпан. Наилучшими свойствами обладают прокладки из синтетических материалов, таких как полихлорвинил и политрифторэтилен.

Для соединений, работающих при высоких температурах, применяют прокладочные материалы с асбестом: асбестовую бумагу, асбестовый картон. Паропроводы уплотняют чаще всего паронитом. Паронит представляет собой композицию асбеста с натуральной или синтетической резиной. Паронит выдерживает температуру до 450 °C. При высоких температурах применяют также листовые про-

кладки из пластичных металлов – листового свинца, алюминиевой и медной фольги. Такие прокладки требуют повышенного усилия затяжки.

211

В случаях, когда наряду с уплотнением требуется еще регулирование расстояния между стыкуемыми деталями, применяют набор прокладок латунной или медной фольги толщиной 0,05 мм.

Для увеличения надежности уплотнения прокладки смазывают уплотняющими составами. Бумажные и картонные прокладки ставят на вареной олифе, шеллаке, бакелите-сырце, жидком стекле, сурике, белилах.

Хорошими герметизирующими свойствами обладает мазь следующего состава: шеллак – 35 %; спирт – 55 %; графит чешуйча-

тый – 6 %; касторовое масло – 3 %; краситель (охра) – 1%.

Широко применяют также герметики – уплотняющие мази разнообразной рецептуры, преимущественно на основе натуральной или синтетической резины, с соответствующими растворителями. Для уплотнений, работающих при высоких температурах, применяют термостойкие мази, например этилсиликат, силоксановые эмали.

Прокладки из мягких материалов применяют для соединений, стягиваемых болтами или шпильками, когда прокладка при затяжке подвергается только сжатию. Прокладки из мягких материалов после однократного пользования подлежат замене.

Прокладки, испытывающие при затяжке сдвиг (прокладки под ввертные штуцеры и пробки), изготовляют из более прочных и жестких материалов, например из фибры, свинца и отожженной красной меди.

Применяют также армированные прокладки, состоящие из упругого материала: резины, пластика, асбеста, заключенного в оболочку из мягкого металла – меди, латуни. Прокладки такого типа могут быть использованы многократно.

Прокладки должны быть зафиксированы относительно уплотняемых поверхностей в радиальном направлении и затянуты по всей поверхности без выдавливания.

Следует учитывать, что прокладки, особенно имеющие значительную толщину, при затяжке деформируются. Если придать прокладке размеры, соответствующие номинальным размерам уплотняемых поверхностей, то при затяжке прокладка выдавливается на-

212

ружу, что портит внешний вид соединения, и внутрь, что в случае трубопроводов и гидролиний может заметно сузить живое сечение потока.

Уплотнение прокладками из мягких материалов всегда сопряжено с изменением расстояния между уплотняемыми деталями. Нередко возникает задача уплотнения стыков с соблюдением точного взаимного расположения стыкуемых деталей. Таков, например, случай соединения частей корпусов, содержащих опоры скольжения или качения.

Задача уплотнения таких жестких стыков решается несколькими способами. Неразборные и редко разбираемые соединения уплотняют герметизирующими составами, например бакелитом, белилами, суриком, жидким стеклом. Герметики выпускаются в виде паст и лаков. Их наносят на уплотняемые поверхности и высушивают до образования устойчивой герметизирующей пленки.

Для соединений, работающих при особо высоких температурах, применяют силоксановые эмали – кремнийорганические пластикаты с порошкообразным металлическим алюминиевым или цинковым наполнителем, выдерживающие температуру до 800 °C.

При затяжке избыток герметизирующего состава выдавливается; на стыке остается тонкая пленка, практически не влияющая на точность взаимного расположения соединяемых деталей. Соединения, собираемые на герметизирующих составах, с трудом поддаются разборке, особенно после работы при высоких температурах. Для таких соединений необходимо предусматривать съемные устройства.

Особо точные разъемные стыки уплотняют путем тонкой плоскостной обработки – притиркой или шабрением. Притертые или пришабренные поверхности при сборке покрывают тонким слоем герметизирующей мастики. Для надежного уплотнения стыков требуется повышенная жесткость фланцев и частое расположение стягивающих болтов.

Другой способ уплотнения жестких стыков заключается в установке на стыкуемых поверхностях утопленных упругих прокладок прямоугольного или круглого сечения. Прокладки устанавливают

213

в канавках, выполненных по всей периферии стыка. В свободном состоянии прокладка выступает над поверхностью стыка на строго определенную величину, зависящую от материала прокладки и желаемой силы уплотнения. При затяжке стыкуемые поверхности доводят до соприкосновения, причем материал прокладки упруго или пластически деформируется, осуществляя уплотнение поверхностей.

Для увеличения герметичности на уплотняемых поверхностях выполняют мелкие канавки, в которые затекает деформируемый материал прокладки. С той же целью поверхности прокладки изготавливают гребенчатыми. При затяжке гребешки сминаются, образуя ряд канавок, действующих подобно лабиринтному уплотнению.

Материал прокладки выбирают в зависимости от условий работы стыка. Для стыков, работающих в нормальных условиях, применяют резину и пластики. Для стыков, работающих при повышенных температурах, используют пластичные металлы: свинец, алюминий, отожженную красную медь. Хорошее уплотнение обеспечивают прокладки из красной меди с гальваническим кадмиевым покрытием.

Круглые фланцы уплотняют упругими металлическими гофровыми кольцами, чаще всего Z-образного сечения. Круглые фланцы с центрирующими буртиками уплотняют шнурами из резины и синтетических материалов, которые закладывают в канавки, выполненные в буртике. При таком расположении на стыке обеспечивается прямой контакт уплотняемых поверхностей. Этот способ применяют только при низких температурах.

Самый простой способ уплотнения ввертных деталей (штуцеров, пробок) – смазывание витков резьбы герметизирующими составами. Однако при этом способе затрудняется отвинчивание деталей вследствие прилипания герметизирующей смазки к резьбе при эксплуатации гидропривода.

Уплотнение конической резьбой без прокладок обеспечивает полную герметичность, особенно, если сопрягаемые детали выполнены из пластичного металла. Способ основан на пластической деформации материала корпуса или материала ввертываемой детали. Его можно применять для редко разбираемых или неразъемных соединений.

214

Широко распространены способы уплотнения ввертных деталей упругими прокладками, устанавливаемыми в замкнутое кольцевое пространство, образованное выточкой в корпусе и (или) ввертываемой детали. Надежность уплотнений возрастает, если уплотняющие элементы расположить не внутри соединения, где они подвержены действию высокого давления, а снаружи, куда давление доходит только при прорыве уплотняемой жидкости или газов через витки резьбы и значительно ослаблено в результате дросселирования в витках резьбы.

Уплотнение легкосъемных крышек, например крышек смотровых люков, откидных дверок, устанавливаемых на петлях или шарнирах, имеет некоторые особенности. Сила прижатия в этом случае обычно невелика, затяжка (в особенности у откидных дверок) неравномерна. Такие крышки обычно уплотняют толстыми прокладками из мягких, легко сжимаемых материалов: мягкой резины и пластиков. Для удобства пользования прокладку укрепляют на одной из соединяемых деталей вулканизацией, на клею или механическими способами. Уплотнение может осуществляться также резиновым шнуром, заводимым в торцовые или боковые канавки.

Для уплотнения применяют почти всегда резину на основе синтетических каучуков. Она обладает в отличие от резины на основе натуральных каучуков высокой маслостойкостью и химической стойкостью, менее восприимчива к воздействию температуры и света.

Наиболее широко применяют натрий-бутадиеновые, бутадиенстирольные, бутадиен-нитрильные и хлоропреновые каучуки. Для соединений, работающих при повышенных температурах, применяют силиконовые каучуки, выдерживающие температуру до 300 °C.

Резина обладает превосходными уплотняющими свойствами вследствие высокой эластичности, податливости и способности затекать в мельчайшие углубления и неровности уплотняемых поверхностей.

Листовую прокладочную резину применяют редко, так как она легко выдавливается под действием усилия затяжки. Резину широко применяют для уплотнения в случаях, когда сила прижатия опреде-

215

ляется упругостью самой резины, например в виде шнуров, укладываемых в канавки. Листовую резину применяют только в случаях, когда сила прижатия невелика, например для уплотнения тарельчатых клапанов, нагруженных пружинами.

Некоторые трудности вызывает крепление резины к уплотняющей детали из-за свойства листовой резины легко образовывать складки. Способ, позволяющий устранить этот недостаток и вместе с тем обеспечивающий надежное крепление резинового листа, заключается в армировании резины. Уплотняющие детали такого типа получают опрессовкой с обеих сторон металлического листа с расположенными в шахматном порядке отверстиями. Затекание резины в отверстия обеспечивает прочную связь резины с листом.

Для увеличения сцепления резины с металлом на поверхность металла наносят слой латуни толщиной в несколько сотых миллиметра. Металлический лист смазывают резиновым клеем, закладывают в резиновую смесь и подвергают одновременному прессованию и вулканизации при температуре 140...150 °C и давлении

2,0...3,0 МПа. Таким способом получают жесткие уплотняющие

блоки, обладающие всеми положительными свойствами резины. Для приклеивания резины к металлу применяют бутадиен-

стирольные, неопреновые, силоксановые клеи и клеи на основе модифицированных эпоксидов.

Уплотнение неподверженных разборке соединений может осуществляться с помощью пайки, сварки, а также посредством различных замазок, содержащих, например, жидкое стекло с заполнителями, синтетические смолы, резину. Однако применение таких уплотнителей имеет ограничения, связанные со старением материалов, диапазоном температур или агрессивностью рабочей жидкости по отношению к уплотнителям.

Применяются также уплотнения, работа которых основана на деформации поверхности одной детали выступами другой. Однако такой способ уплотнения имеет ограниченное число разборок и сборок.

Уплотнение поверхности может быть обеспечено за счет плотного прижима поверхностей так, как в разборных уплотнениях тру-

216

бопроводов. Штуцер с углом 1,4 рад сопрягается с развальцованной трубой посредством ниппеля и притягивается накидной гайкой. Труба бесшовная из нержавеющей стали, меди, конструкционных сталей марок 10 и 20 имеет толщину стенки до 1,5 мм. Аналогичная схема

уплотнения применима к штуцерным коническим или сферическим соединениям толстостенных труб. В данном уплотнении отпадает необходимость развальцовки труб.

Широкое применение в качестве неподвижного соединения при давлениях до 50 МПа в минеральных маслах, эмульсиях, смазках,

пресной и морской воде, жидких топливах и до 40 МПа в сжатом

воздухе нашли уплотнения с помощью колец. Резиновые или другие эластичные кольца помещают в специальные канавки или проточки, выполненные на внутренней или внешней поверхности соответствующей детали. Сечение кольца предпочтительно круглое, но может быть эллипсовидным, квадратным или прямоугольным. Кольцо устанавливается в канавку с натягом до 0,07 от диаметра сечения кольца. Оно выступает над поверхностью на 0,10...0,15 и имеет в свободном состоянии суммарный боковой зазор между стенками канавки до 0,20 от диаметра сечения кольца.

При давлении более 50 МПа или с зазором между металличе-

скими деталями, превышающими рекомендованные значения, действием давления рабочей жидкости материал уплотнительного кольца, деформируясь, вдавливается в зазор, при этом острая кромка боковой стенки канавки, врезаясь в кольцо, вызывает его разрушение. Для устранения вдавливания кольца в зазор и обеспечения его работы при несколько увеличенном зазоре применяют защитные кольца, твердость которых выше твердости резиновых колец. Защитные кольца устанавливаются со стороны более низкого давления. Если же давление знакопеременное, то уплотнительное кольцо снабжается двумя защитными кольцами.

Резиновые кольца круглого сечения устанавливаются, как правило, в неподвижных соединениях гидроцилиндров.

217

При давлениях до 100 МПа и температуре 527 °C применяются

толстостенные распорные металлические кольца, а также полые металлические кольца с воздухом при давлении до 100 МПа и с инерт-

ным газом – до 4,0...5,0 МПа.

Современные неподвижные и подвижные уплотнительные узлы комплектуются деталями из политетрафторэтилена (PTFE), имеющего торговую марку фторопласт-4, фторлон-4, тефлон и др.

Фторопласт-4 (ТУ 6-05-810–88) – фторуглеродный полимер, продукт полимеризации тетрафторэтилена. Высокая прочность связи атомов фтора и углерода и специфичная структура молекул обусловливают хорошее сочетание химических, физических и антифрикционных свойств материала. Фторопласт-4 – полукристаллический перфторированный полимер этиленового ряда с температурой плавления около 327 °C, выше которой исчезает кристаллическая струк-

тура и он превращается в аморфный прозрачный материал с температурой разложения выше 415 °C.

Изделия из фторопласта-4 получают методом низкотемпературного предварительного формования заготовок с последующим спеканием.

Фторопласт-4 имеет гладкую поверхность, не удерживающую воду и химические соединения, обладает высокими антифрикционными свойствами, исключительно низким коэффициентом трения, чрезвычайно высокой химической стойкостью, стойкостью ко всем минеральным и органическим кислотам, щелочам, органическим растворителям, газам и другим агрессивным средам. Уплотнения из фторопласта-4 допускают работу в условиях сухого трения, а также обеспечивают электрическую изоляцию.

Благодаря высокой химической, тепло- и морозостойкости, антифрикционным, антиадгезионным и повышенным диэлектрическим свойствам фторопласт считают высокотехнологичным пластиком, который широко применяется:

• в химической промышленности как антикоррозионный материал для изготовления аппаратов, теплообменников, насосов, труб,

218

клапанов, облицовочной плитки, сальниковых набивок. Использование фторопласта-4 в химических аппаратах в качестве труб, уплотнений, прокладок способствует получению продуктов высокой степени чистоты;

•для изготовления в чистом и наполненном виде деталей машин и аппаратов, подшипников скольжения, работающих без смазки

вкоррозионных средах, уплотнений в компрессорах, кранах и другом оборудовании;

•в производстве клейких и красящих веществ для защиты оборудования от загрязнений;

•в пищевой промышленности для облицовки валов, покрытия форм, уплотнения оборудования.

Для повышения твердости, теплопроводности, стойкости к истиранию, снижения деформации под нагрузкой и коэффициента термического расширения к фторопласту-4 добавляют различные наполнители.

Наполненные композиции на основе фторопласта-4 используются главным образом в качестве конструкционных и антифрикционных материалов для изготовления деталей подшипников, поршневых колец, используемых в компрессорах; прокладок и уплотнений в жестких условиях эксплуатации, седел, диафрагм вентилей, сальниковых колец и других изделий, применяемых в машиностроении, химической промышленности и других отраслях.

Износостойкость наполненных композиций значительно зависит от типа наполнителя. Наибольшей износостойкостью отличаются композиции фторополаста-4 с коксом, искусственным графитом, дисульфидом молибдена, нитридом бора, бронзой.

Фторопластовые уплотнительные кольца круглого сечения используются в качестве уплотнений в гидравлических, топливных, смазочных и пневматических устройствах. Хорошо зарекомендовали себя фторопластовые уплотнительные седла для шаровых кранов, плоские эластичные прокладки из фторопласта для уплотнения поверхностей фланцев, манжеты уплотнительные для гидравлических устройств и для дисковых затворов из фторопласта. Фторопластовые

219

шарики применяются в насосах и клапанах в качестве запорнорегулирующих элементов.

Оболочки защитные из фторопласта-4 предназначены для защиты материала прокладок (резины, паронита, асбеста) от воздействия агрессивных сред.

Кольца уплотнительные из фторопласта-4 используются для герметизации резьбовых соединений насосно-компрессорных обсадных труб, применяемых при эксплуатации нефтяных, газовых и газоконденсатных скважин. Температурный диапазон эксплуатации колец от −60 до 250 °C в среде нефти, газа и растворов, применяемых

при добыче нефти.

Получил распространение новый уплотнительный материал из пористого политетрафторэтилена – фторопласт-4Д. Фторопласт-4Д выпускается согласно ТУ 2247-001-23167010–2003, разработан ЗАО НПК «ЭКОФЛОН» в 2002 году и имеет обозначение МУП (материал уплотнительный пористый).

Фторопласт-4Д благодаря непревзойденной химической стойкости, благоприятному комплексу физико-механических, антифрикционных свойств, а также способности сохранять эти свойства в широком диапазоне температур, является идеальным материалом для уплотнений всех типов.

Данный уплотнительный материал выполнен в виде жгута круглого сечения, состоящего на 100 % из фторопласта-4Д, подвергнуто-

го многократной вытяжке и термообработке.

В результате такой обработки формируется особая структура, которая придает материалу высокую прочность при пористости свыше 50 % и необычную гибкость и подвижность.

Благодаря таким свойствам материал выгодно отличается от своих предшественников отсутствием вазелинового масла, что позволяет поднять верхний температурный предел использования материала и практически снять ограничения по уплотняемым средам, прежде всего кислороду и сильным окислителям. Этот материал в два раза легче фторопласта-4.

220