книги / Элементы гидравлических систем и объёмного гидропривода

кие требования к зазору между сопрягаемыми деталями по сравнению с асбестом. Недостаток уплотнений из фторопласта – высокая стоимость, несмотря на их массовое производство.

Улучшенные эксплуатационные свойства имеет фторопласт-4Д. Благоприятный комплекс механических свойств, сочетающих мягкость, гибкость и прочность, значительно облегчает набивку сальников или монтаж фланцевых соединений. МУП является антиадгезивным, не прилипает к стенкам камеры, поэтому легко снимается при ремонте. Сальниковые узлы из фторопласта-4Д сохраняют герметичность в диапазоне температур от −60 до 270 °C и давлении до

20 МПа.

Отсутствие текучести или значительно более низкая текучесть по сравнению с традиционно применяемыми в сальниках кольцами исключает необходимость подтяжек сальника при температуре выше 100 °C. Мягкость и гибкость позволяют легко прирабатываться

иустранять неровности поверхности в сальниковой камере, обеспечивать надежное уплотнение узла при небольших усилиях обжатия. Незначительный коэффициент термического расширения обеспечивает долговременную герметичность. Низкий коэффициент трения практически исключает износ выходного элемента гидродвигателя

иобеспечивает легкость его хода.

Манжета – широко распространенное в технике контактное радиальное уплотнение, работа которого основана на прижиме давлением уплотняющей части манжеты к поверхности уплотняемой детали.

Применяется при вращательном движении вала гидромашины и осевом перемещении поршня и штока гидро- и пневмоцилиндра, надежно обеспечивая герметичность при меньшей чувствительности к точности изготовления контактирующих поверхностей, чем сальник.

Материалы, используемые для изготовления манжет, должны обладать следующими свойствами:

1)сопротивление разрыву по надрезу;

2)устойчивость к изменению объема (набуханию);

231

3)устойчивость к агрессивным средам и химическому воздей-

ствию;

4)теплостойкость;

5)устойчивость против старения;

6)устойчивость против усталости и хрупкости;

7)износостойкость.

Манжеты раньше изготовляли из лучших сортов натуральной кожи, подвергая ее распариванию и прессованию для придания нужной формы. В настоящее время материалами для манжет служат эластичные, износостойкие, масло- и химически стойкие резины и пластики, превосходящие кожу по упругости и износостойкости. Выбор материала, из которого изготовлена эластомерная часть уплотнения, особенно важен для его характеристик.

Применяют следующие типы резины: бутадиен-нитрильный каучук (NBR); гидрированный бутадиен-нитрильный каучук (HNBR); фторкаучук (FKM, VITON); силиконовый каучук (VMQ); полиакриловый каучук (ACM), дюралип (Duralip), дюратемп (Duratemp), эти- лен-пропилен-каучук (EPDM) и др.

Наиболее широко применяется бутадиен-нитрильный каучук (NBR), который имеет очень хорошие технические свойства и является наиболее универсальным материалом для уплотнений. Он обладает хорошей устойчивостью к большинству минеральных масел и консистентных смазок на их основе, а при определенных условиях работает и с синтетическими маслами, к обычному жидкому топливу на нефтяной основе, животному и растительному маслам и жирам, горячей воде, но не применяется для пара. Этот каучук допускает кратковременную работу кромок уплотнения в условиях сухого трения и предельную линейную скорость до 10 м/с. Рабочий диапазон температур от –60 до 100 °С (кратковременно – до 120 °С). К недостаткам этого материала относят, прежде всего, низкую стойкость к атмосферным воздействиям и озону, а также химическим веществам. Многие жидкости и масла с присадками содержат большое количество ароматических углеводородов, контакт с которыми приводит к набуханию изделий из этого каучука.

232

Гидрированный бутадиен-нитрильный каучук (HNBR) отличается повышенной (до 150 °C) температурной стойкостью, улучшен-

ной стойкостью к атмосферным воздействиям и озону. Не допускает контакт с химически активными веществами.

Среди основных преимуществ бутадиен-акрилнитрильного каучука можно выделить высокую стойкость к старению, отличную совместимость с синтетическими маслами, отличную откачивающую способность, высокую износостойкость.

Фторкаучук (FKM) лучше других материалов противостоит минеральным маслам и горючим материалам; ароматическим (бензол, толуол) и хлорным углеводородам (четыреххлорный углерод, трихлорэтилен). Работает при температуре до 200 °C, имеет высокую

стойкость к атмосферным воздействиям, озону и неорганическим кислотам. Недостатки этого материала – потеря эластичности при температуре ниже −20 °C, высокое деформационное сжатие в горячей

воде, низкая стойкость к полярным сольвентам.

Фторкаучук (VITON) имеет высокую устойчивость к химикалиям, органическим растворяющим веществам, а также серной кислоте и растительным маслам при высоких температурах. Диапазон рабочих температур от −10 до 180 °C.

Силиконовый каучук (VMQ) обладает лучшей температурной стойкостью в диапазоне температур от −55 до 150 °C. Он противо-

стоит погодному и озоновому воздействию, обладает стойкостью к алифатическим минеральным маслам и большинству консистентных смазок. Но имеет низкие механические свойства, износостойкость и диффузионную стойкость, не работает с ароматичными маслами и окисляет их.

Другие силиконовые каучуки характеризуются высокой температурной устойчивостью, хорошей эластичностью при низких температурах, высокой устойчивостью к окислению и имеют диапазон рабочих температур от −70 до 160 °C.

Полиакриловый каучук (ACM) лучше, чем бутадиеннитрильный каучук противостоит минеральным маслам и горючим

233

жидкостям, обладает лучшей температурной стойкостью до 150 °C в масляной среде и до 125 °C – на воздухе, обладает стойкостью

к воздействию озона и погодных факторов. Однако для него недопустим контакт с водой (даже при небольшом обводнении масла) и работа при температуре ниже −20 °C. Он имеет худшие механиче-

ские свойства и износостойкость, не работает со многими химическими жидкостями.

Дюралип (Duralip) – карбоксилатный нитриловый каучук, материал, разработанный промышленной группой SKF. Этот уникальный материал сочетает положительные технические свойства нитрилового каучука с особо высокой износостойкостью. В основном дюралип применяется для крупногабаритных уплотнений с внутренним диаметром от 0,2 м и выше. Уплотнения из этого материала применя-

ются, когда в зону контакта кромок могут попадать абразивные материалы.

Дюратемп (Duratemp) – гидрированный нитриловый каучук, обеспечивающий по сравнению с нитриловым каучуком высокие показатели механической прочности, износостойкости, термостойкости и устойчивости против старения. Рабочая температура находится в диапазоне от −30 до 150 °C. Дюратемп чаще используется для из-

готовления крупных радиальных манжетных уплотнений для валов. Этиленпропиленкаучук (EPDM) широко примененяется для химических соединений, не содержащих жир и минеральные масла.

Диапазон рабочих температур от −30 до 160 °C.

Систематически проводятся работы по совершенствованию конструкции, технологии изготовления и материалов манжет. Применяется не только резина, но и полиуретан, полихлорвинил, фторопласт, полиамид и другие полимерные материалы.

Полиуретаны – класс синтетических эластомеров с программируемыми свойствами. Полиуретаны широко применяются в промышленности как эффективные заменители каучуков различных марок, резины, металла, пластика для изготовления деталей, работающих в агрессивных средах, в условиях больших знакопеременных

234

нагрузок и температур. Рабочая температура для большинства полиуретанов составляет от −60 до 80 °C (кратковременно – до 120 °C

в течение 24 ч). Давление может достигать 120 МПа.

Полиуретаны мало подвержены старению, имеют низкую температуру стеклования и высокую стойкость к воздействию окружающей среды. Полиуретаны стойки к абразивному износу, обладают устойчивостью к большинству органических растворителей, к щелочам, к озону и ультрафиолетовым лучам, морской воде. Прочность связи полиуретан–металл значительно выше, чем между резиной и металлом.

Полиуретан с успехом заменяет резину различных марок (а в некоторых случаях и металлы), благодаря таким свойствам, как износостойкость, сопротивление истиранию, кислотостойкость, маслобензостойкость, диэлектрические свойства, а также возможность работы при высоких давлениях, в широком температурном диапазоне.

Изделия из полиуретана по прочности приближаются к изделиям из металлов. В то же время материал остается очень гибким и мягким, сохраняя характеристику устойчивости вне зависимости от состояния полиуретановой детали.

Из полиуретана производят весь спектр уплотнительных элементов для неподвижных и подвижных соединений: манжеты, сальники, грязесъемники, листы полиуретановые, опорные кольца, торцовые уплотнения, фланцевые уплотнения, кольца круглого сечения, втулки направляющие, лабиринтные уплотнения, направляющие кольца.

Полиуретановые манжеты исключают утечки жидкости или газа через уплотнение, характеризуются стойкостью к динамическим нагрузкам, и демпфированием вибраций, обладают хорошей механической памятью (восстанавливают форму, близкую к первоначальной). Они не загрязняют работающие с ними элементы.

Поливинилхлорид (PVC – ПВХ, полихлорвинил, вестолит, хосталит, виннол, корвик, сикрон, джеон, ниппеон, сумилит, луковил, хелвик, норвик и др.) – пластмасса белого цвета, термопластичный полимер винилхлорида. Отличается химической стойкостью к щело-

235

чам, минеральным маслам, многим кислотам и растворителям. Не горит на воздухе, но обладает малой морозостойкостью (−15 °C).

Полихлорвиниловые манжеты выдерживают температуру до 80 °C.

К конструкционным или инженерно-техническим полимерам принято относить те полимерные материалы, которые обеспечивают работоспособность деталей при повышенных механических и тепловых нагрузках, имеют высокие электроизоляционные характеристики и доступные цены: полиамиды, полиформальдегид, полибутилентерефталат, полиэтилентерефталат, поликарбонат, АБС-пластики. Полиамиды – наиболее востребованные среди них.

Различают алифатические (РА, РЕВА, РА МАСМ) и ароматические полиамиды (РАА). Известны полиамиды, содержащие в основной цепи как алифатические, так и ароматические фрагменты.

Обычное обозначение полиамидов на российском рынке – ПА или PA. В названиях алифатических полиамидов после слова «полиамид» ставят цифры, обозначающие число атомов углерода в веществах, использованных для синтеза полиамида. Помимо обычных обозначений для полиамидов могут использоваться и названия торговых марок: капрон, нейлон, анид, капролон, силон, перлон, рильсан.

Полиамиды – современные термопластичные синтетические полимеры конструкционного и антифрикционного назначения. Уникальные свойства различных полиамидов довольно близки. Они являются жесткими кристаллизующимися или аморфными материалами с высокой прочностью при разрыве и повышенной стойкостью к износу, имеют низкий коэффициент трения с любым металлом, легко обрабатываются. Полимерные материалы на основе полиамида позволяют получить гладкую полированную поверхность, устойчивую к повреждениям. Графитонаполненный полиамид обеспечивает продолжительную работу в узлах трения и скольжения, снижая их износ.

Полиамиды приобретают повышенную пластичность при высокой температуре и сохраняют эластичность при низкой температуре, обладают высокой прочностью при ударе и продавливании, легко

236

свариваются током высокой частоты. Их отличает довольно высокое водопоглощение. После высушивания первоначальный уровень свойств восстанавливается. Полиамиды не подвержены коррозии, экологически чисты, допускается контакт с пищевыми продуктами и питьевой водой.

Полиамид обладает очень высокой паропроницаемостью и низкой проницаемостью по отношению к газам. Электрические и механические свойства материала зависят от влажности окружающей среды.

Стеклонаполненные полиамиды (КС, ДС) относятся к композиционным материалам с небольшой плотностью, в состав которых помимо полиамидной смолы входят структурированные стеклянные нити. Они отличаются повышенной прочностью, устойчивостью к ударным нагрузкам, химической инертностью, что делает их масло- и бензостойкими. Стеклонаполненные полиамиды характеризуются низким коэффициентом трения и удовлетворительными диэлектрическими показателями.

Стеклонаполненные полиамиды нетоксичны и при нормальных условиях не оказывают вредного воздействия на организм человека.

Манжетное уплотнение вращающихся валов состоит из од-

ного и более фигурных колец из современных эластомерных материалов. Форма манжет может быть самой разнообразной (рис. 95).

Рис. 95. Примеры манжет для уплотнения вращающихся валов

От уплотнений других типов манжеты отличаются высокой герметичностью, простотой конструкции, малыми габаритами и массой, относительно невысокой стоимостью, легкостью монтажа.

237

В зависимости от материала уплотнителя манжеты могут работать без смазки или пропитанными различными смазками, чтобы снизить износ и трение, а также повысить срок службы.

Манжета представляет собой выполненное из мягкого упругого материала кольцо с воротником, плотно охватывающим вал. Манжета должна быть расположена воротником навстречу давлению; при обратном расположении давление отжимает воротник от вала. При действии давления с двух сторон устанавливают две манжеты

своротниками, направленными в разные стороны.

Вряде случаев манжету выполняют с двумя воротниками, один из которых уплотняет вал, а другой – корпус с использованием того же манжетного эффекта.

Манжеты изготовляют прессованием или пресс-литьем с опрессовкой внутренних металлических элементов.

Манжеты для вращающихся валов чувствительны к радиальным усилиям. Незначительное радиальное усилие приводит к образованию эксцентричного зазора и появлению утечек. Повышенные значения радиального усилия ухудшают условия смазки трущихся поверхностей, ужесточают температурный режим в зоне трения, ускоряют старение и износ эластомерных материалов уплотнения.

Вобщем случае радиальное усилие определяется тремя составляющими:

1) усилием от деформации уплотняющего элемента манжеты (натягом манжеты);

2) усилием от действия браслетной пружины;

3) усилием от действия давления уплотняемой среды.

Впроцессе эксплуатации радиальное усилие уменьшается в результате релаксации, старения и износа материала уплотнения. Не-

точность изготовления и сборки уплотнительного узла приводит к неравномерному распределению радиального усилия в зоне контакта манжеты с валом и обычно характеризуется статическим и динамическим эксцентриситетом узла.

Статический эксцентриситет возникает от несовпадения оси внутреннего диаметра манжеты с осью вала. Причиной возникнове-

238

ния статического эксцентриситета является неточность изготовления уплотнительного узла и манжеты. Статический эксцентриситет приводит к неравномерному распределению радиального усилия по окружности, местному износу и утечкам.

Динамический эксцентриситет равен половине биения вала. Способность манжеты удовлетворительно работать при наличии динамического эксцентриситета зависит от упругости и эластичности уплотняющего элемента. Динамический эксцентриситет приводит к неравномерному распределению напряжений усталостному разрушению материала и сокращению срока службы уплотнения.

При наличии дефектов на рабочей поверхности вала (забоин, вмятин, царапин, повреждений покрытий и др.) быстро разрушается уплотняющий элемент манжеты. Соприкасающиеся поверхности вала

иманжеты должны образовывать антифрикционную пару, обладать коррозионной стойкостью к уплотняемой среде и стойкостью к износу.

Твердость вала выбирают с учетом скорости скольжения вала

изапыленности окружающей среды. Поверхности, по которым работают манжеты, должны иметь твердость не менее 45 единиц HRC.

При наличии в уплотняемой среде абразивных частиц рекомендуется использовать валы с закаленной или цементированной поверхностью, а также применять манжеты с пыльником.

Свойства эластомерных материалов ограничивают возможности работы манжетных уплотнений. Так, в резиновых манжетах наблюдается ускоренное старение при высокой температуре и потеря эластичности при низкой, а также механическое стеклование при большой частоте вращения (линейная скорость на поверхности вала не превышает 4,0...5,0 м/с). Отсюда следуют требования к ограниче-

нию температуры нагрева кромки, ограничения радиального биения валов и высокому качеству их обработки. Необходимо также учитывать возможность потери герметичности при низкой температуре и большой частоте вращения.

Основное требование, предъявляемое к манжетам, – обеспечение необходимой герметичности в течение заданного срока эксплуатации. Нарушение герметичности при эксплуатации зависит:

239

•от радиального усилия и геометрии эластичного элемента манжеты:

•скорости скольжения;

•температуры и давления среды;

•свойств уплотняемой среды и применяемого эластомера;

•обработки поверхности вала;

•статического и динамического эксцентриситета;

•монтажных дефектов и др.

От контактных уплотнений других типов из эластичных материалов манжеты отличаются наименьшими утечками, так как они обладают способностью отслеживать колебательные движения вращающихся валов, а также компенсировать неточности изготовления и cборки сопрягаемых деталей (несоосность, некруглость и др.).

На выбор манжет влияют скорость вращения вала, герметизируемая среда, качество поверхности вала и системы смазки.

По конструкции манжетные уплотнения вращающихся валов могут быть разделены на три типа:

1)неармированная манжета, закрепленная между деталями кор-

пуса;

2)манжета, детали которой заключены в специальный металлический каркас;

3)манжета с привулканизованным армирующим кольцом.

По способу создания прижимающей силы (усилия) манжетные уплотнения подразделяются также на три группы:

1)манжета, в которой радиальное усилие создается в результате деформации уплотняющего элемента;

2)манжета с кольцевой браслетной пружиной;

3)манжета с пластинчатой (лепестковой, пальчиковой) пру-

жиной.

Такое деление манжет является условным, так как на практике имеются манжеты, содержащие признаки разных типов и групп.

Армированные манжеты для валов стандартизованы. В странах СНГ действует ГОСТ 8752–79, а за рубежом используют манжетные уплотнения по стандартам ISO 6194 и DIN 3760 (3761).

240