являются композиционные. Задачу силового элемента 2 лучше всего выполняет металлическая пружина (браслетная, ленточная), свойства которой не меняются в широком диапазоне температур длительное время. Защитный элемент 6 дредотвращает выдавливание элемента 1 в зазор, поэтому его изготовляют из более твердого материала. Такие анти-экструзионные свойства в сочетании с низким коэффициентом трения имеют композиции на основе фторопласта-4. Конструкция комбинированного УПС дороже обычной. Выбирая УПС, необходимо сопоставить экономический эффект от повышения ресурса со стоимостью уплотнения. При решении этой задачи используют критерии балльной оценки показателей качества уплотнений и иногда в качестве эталона вводят в рассмотрение показатели идеального уплотнения с наиболее оптимальными элементами структурной схемы.

Одно из комбинированных УПС показано на рис. 4.1, е. Здесь основным уплотняющим элементом является манжета 1 из композиционного эластомера, силовым - резиновое кольцо 2, сохраняющее упругие свойства при низких температурах, защитным - кольцо 3 из композиции на основе ПТФЭ.

Уплотнительные комплексы создают для герметизации сред Р со специфическими параметрами - химическая агрессивность, высокие токсичность и температура, возможность образования взрывоопасных смесей с окружающей средой А.

Комплексы состоят из нескольких ступеней УПС основного назначения, аварийных и дублирующих УПС и системы обеспечения (СО). Высокую надежность и требуемую долговечность УПС обеспечивают путем создания наиболее благоприятных условий работы для каждого уплотнения на основе принципов разделения функций многоступенчатых уплотнений и последовательного дублирования их функций при возможном повреждении одного из уплотнений. Примеры схем уплот-

Рис. 4.5. Схема уплотнительных комплексов УПС:

а - УПС полости с высоким давлением и температурой; б - УПС штока клапана несовместимых сред

нительных комплексов даны на рис. 4.5 и 4.6. Комплекс для уплотнения полости с высокими параметрами pi и 9i (рис. 4.5,а) включает: теплоизолятор 7, щелевое игш лабиринтное УПС 2, дренажную систему 3, промежуточное УПС 4 на Др = р2 - Ро, Дренажную систему 5 с накопителем утечек, внешнее УПС 6, систему охлаждения 7.

На рис. 4.5, б показана схема комплекса УПС для герметизации штока клапана, проходящего через две рабочие полости Р] и Рг [36]. Среды Pi и Рг не должны смешиваться даже в пределах утечки в виде жидкостной пленки на штоке. Каждая полость герметизируется УПС высокого давления (1 и /), утечки из которых отводятся в дренажные полости 2 и 2 шириной более хода штока L, которые разделены дренажной полостью 3 с УПС низкого давления 4.

Системы дренажные, обеспечения и аварийные практически применяют только в УПС стационарных машин, например, в химическом и энергетическом машиностроении. Аварийные системы чаще всего включают уплотнения камерного типа, которые при

Рис. 4.6. Схема многоступенчатого УПС

компрессора с однотипными уплотнениями и конструкция поршневого кольца 1 с экспандером 2

нормальной работе комплекса не контактируют со штоком. Для сохранения герметичности гидросистемы при замене основных УПС в камерное уплотнение подают газ от вспомогательного источника, и оно работает как УН.

Технические характеристики и стандарты. Размеры и конструкция резиновых колец круглого сечения, резиновых, пластмассовых и резинотканевых манжет, некоторых пластмассовых и поршневых колец регламентированы ГОСТами (см. подразд. 4.3 и 4.4), резиновых колец Х- и Т-образного сечения, а также комбинированных УПС -ОСТами. При использовании технических условий на УПС, регламентированных соответствующими ГОСТами, следует учитывать рекомендации, выработанные практикой.

Кольца круглого сечения по ГОСТ 9833 - 73 рекомендуется применять только в УПС с диаметром штока D < 25 мм и цилиндра < 35 мм. При больших D а Du они скручиваются, что приводит к потере герметичности. Указанный недостаток устранен в кольцах Х-образного и овального сечений (однако последние отличаются значительно большими силами трения). Установленные ГОСТами гарантийные сроки эксплуатации и ресурсы целесообразно уточнять расчетом эквивалентных режимов. Кроме того, в некоторых ГОСТах указаны 90- и 80%-ные ресурсы, хотя для большинства высококачественных изделий необходимы данные о 95- или 98 %-ном ресурсе.

Наиболее распространенные уплотнители изготовляют в соответствии с

ГОСТами: манжеты резиновые для гидравлических устройств - ГОСТ 14896-84; то же, для пневматических устройств - ГОСТ 6678-72; манжеты шевронные резинотканевые для гидравлических систем - ГОСТ 22704-77; грязесьемники резиновые для штоков - ГОСТ 24811-81.

Зарубежные стандарты на УПС: BSI 1658; 3627; 5341; НС 402; 403; 404; 4К6 (Великобритания); DIN 1144; 24909 ...24911; 24919; 249330; 24946... ...24948; 70907... 70911; 70914... 70916; 70930; 70946; 70948 (ФРГ); ANSI ASTM: NFPA: ТЗ.19.11.72; ТЗ.19.18.73; NFPA ТЗ.19.11.72; ТЗ.19.11.72 SAE J929a; J1601; J1603; J1604; AS: ARP: AJR ARP979; AJR 1077; AJR 1244; AMS 7310F; 731 ID; 7312D (США); JJS B2403; B8032 (Япония).

4.2. Механизм утечки и трения

Механизм утечек зависит от состояния области контакта.

Течение по зазорам и микроканалам под влиянием перепада давлений Ар свойственно маловязким жидкостям и газам при наличии на поверхностях контакта рисок, следов грубой обработки и дефектов. Вследствие незначительного влияния фрикционного потока при малых ц и D механизм утечек такой же, как в УН (см. подразд. 3.2). Сплошная пленка смазочного материала отсутствует, поэтому смазка имеет характер граничной. Для описания закономерностей течения применимы уравнения (1.31)-(1.32) для газов и (1.28)-(1.29) для жидкостей, для описания трения эластомеров - (1.47) - (1.53).

Гидродинамический механизм образования пленки жидкого смазочного материала под действием фрикционного потока наиболее характерен для УПС общепромышленного назначения, эксплуатируемых в среде масла.

УПС с обеспеченной гидродинамической смазкой [34, 36, 67]. Формирование зазора в эластомерных УПС при

Рис. 4.7. Кривые изменения зазора 5, давления Рк и градиента давления pi в эласто-мерном УПС (а) при прямом (б) и обратном (в) ходах

достаточно вязких средах связано с воздействием на уплотняющий элемент фрикционного потока пленки жидкости на поверхности движущегося контртела. Соответствующие положения гидродинамики кратко рассмотрены в подразд. 1.2, 1.4 и 1.5. Зависимость между высотой зазора 5, гидродинамическим давлением Рг в нем, вязкостью ц и скоростью i; жидкости устанавливает уравнение Рейнольдса (1.27). Вследствие замкнутой кольцевой формы контакта оно справедливо для УПС при постоянном значении ц. Благодаря весьма малой жесткости поверхности эластомерные УПС под действием р, легко деформируются до установления равновесия Рс = Рк при зазоре 6 (рис. 4.7). Величины 5 весьма малы по сравнению с начальной деформацией уплотнителя АН = = (й?-Н)/2 (АН = 500... 1000 мкм, 5 = = 1... 3 мкм), поэтому распределение Рк вдоль координаты х, созданное при монтаже уплотнителя, практически сохраняется при движении контртела. Необходимым условием возбуждения гидродинамического эффекта является сужение фор.мы зазора в направлении движения. Форма зазора между твердыми поверхностями неизменна [зазор 8 определяют из уравнения (1.27)]. В эластомерных УПС форма и высота зазора не известны, но известны рас-

пределения Рк и dp/dx = рх по X (найдены экспериментально или расчетом), поэтому уравнение Рейнольдса из дифференциального становится алгебраическим :

Таблица 4.1

Значения градиентов давлений р. и ГПа/м, в зазоре УПС при давлении среды р, МПа

-5-65 + 65о = 0 или

КН - 6Я + 6 = О,

(4.1)

где 5о - зазор в сечении с линейным распределением v (см. рис. 4.7,6, в); К = 8gpi/(ni); р„ = dprldx; Н = Ь/Ьо.

Зависимость К(Н) имеет максимум Ктах = 8/9 при Н = 1,5 и фактически выражает связь pi с Н, так как К отличается от р лищь постоянным множителем 6о/(ц1;). Поэтому Ктах соответствует pi max и из выражения для К

следует: 6о = 1/8ц!;/(9ршах)- Для определения 6о при прямом (из среды Р в среду А) и обратном ходах контртела на эпюрах рк необходимо найти точки перегиба vvi и W2, в которых Pwi и ру„2 максимальны. Высота зазора по поверхности контакта переменна, однако для ее оценки достаточно найти характерный зазор при прямом 5i и обратном бг ходах:

§1 = ai)Aii77/p\;

(4.2)

где «1 и аг - безразмерные коэффициенты; ц, и цг - вязкости жидкости при давлениях р и ро соответственно. Па-с; рщ, ри-з - максимумы градиента давления в точках vvi или W2, Па/м. Давление р в полости при прямом и обратном ходах обычно различно (pi и Рг).

Результаты экспериментальных исследований. Распределение давления и градиента давления в зазоре зависит от материала и формы сечения уплотнителя, давлений рабочей р и окружающей Ро сред. Для простейших форм уплотнителей распределение рк (х) можно рассчитать, для произвольных - установить экспериментально. Зависимость

Рк(х) для кольца круглого сечения диаметром d - парабола с максимумами РкО = 1,258£ и рл; 2,5E/d. На рис. 3.5 показаны зависимости рк(х) для манжет и колец 0-, Х- и пилообразного сечения, экспериментально полученные с помощью прибора, основанного на компенсации контактного давления в точке измерения [36]. Градиент давления р зависит от давления среды (табл. 4.1).

На рис. 4.8 приведены зависимости Pw (р) для колец пилообразного (кривая 1), круглого (кривая 2) и Х-образного (кривая 3) сечений. При прямом ходе контртела градиент pi « р;„о (ро - градиент при р = 0,1 МПа) почти не зависит от р. При обратном ходе

Pw2 = Pwo + срг, (4.3)

где с = 0,09 мм" и п = 1,8 для кольца круглого сечения; с = 0,36 мм" и п = 1,2 для кольца пилообразного сечения.

Особенности изменения pi и р„,2 при повышении давления среды проявляются в зависимости утечек и силы трения

О W 20 30 р,МПа

Рис. 4,8. Зависимости градиентов давления Pwi (штриховые линии) и рщ2 (сплошные линии) от давления

от направления движения коитртела в УПС.

При прямом ходе контртела (см. рис. 4.7,6) определяющая точка Wj эпюры Рк находится со стороны рабочей полости и зазрр 5i [см. уравнение (4.2)] определяется градиентом pi. При обратном ходе точка W2 находится со стороны внешней среды (см. рис. 4.7, в) и зазор 52 [см. уравнение (4.2)] определяется градиентом р,2. Утечки через УПС равны разности объемов пленки при прямом и обратном ходах контртела. За каждый двойной ход контртела диаметром D утечки V=0,5nDL{bi - 82). Относительные утечки V= V/(kDL) численно равны условной толщине пленки утечки Ah. Эта величина принята в качестве критерия оценки герметичности УПС (см. табл. 1.10).

Рассмотренная модель утечек через УПС при гидродинамической смазке является идеализированной. В реальных условиях определение утечек значительно сложнее вследствие влияния несовершенства режима смазки, микронеровностей поверхности контртела, изменения вязкости при нагреве в результате трения. Для учета этих факторов в формулу для расчета V введены функциональные коэффициенты ¥i (при прямом ходе) и ¥г (при обратном ходе):

= 0,5 (4i8i - 4-262). (4.4)

При определении площади контртела nDL берут длину его прямого хода L. Коэффициенты 4*1 и 4*2 учитывают различие режимов при прямом и обратном ходах (например, при прямом ходе

смазка может быть гидродинамической, а при обратном - граничной).

Если контртело совершает со двойных ходов в 1 с при i?=i;i = f2, расход утечки Q = Ксо, см/с.

Критерий h = hIRz - отношение эквивалентной толщины пленки h к параметру шероховатости контртела Rz - позволяет оценивать режим работы УПС и, в частности, выявлять закономерности изменения функциональных коэффициентов 4i и 2, их связь с коэффициентом трения / На рис. 4.9, а показаны экспериментальные точки для и аЧ в зависимости от h для масел АУП (точки /), ГМ-50И (2), МС-20 (3) и глицерина {4), по которым установлена зависимость ¥ {К). При h < 0,5 »Р = О, при й > 1 = 1, при 0,5 < й < 1 Ч линейно увеличивается от О до 1. По результатам этого эксперимента (кольца круглого и пилообразного сечений; = 3 мм; V < 0,3 м/с; 40 МПа; Rz = 0,8 мкм) построены также зависимости f(h) (рис. 4.9,6). По аналогии с диаграммами Герси - Штрибика - зависимостями /(G)-можно заключить, что при h > 1 возникает режим гидродинамической смазки,, при 0,5 < й < 1 -

¥

0.5 -

полужидкостной, при /i < 0,5 - граничной и полужидкостной. Пленка жидкости на контртеле при h > 0,5 вызывает утечки. При h> \ ъ соответствии с гидродинамическими закономерностями [см. уравнение (4.2)] проявляется влияние у, ц, р, а при 0,5 < h < 1 - также влияние функции Ч*. При h < 0,5 на поверхности контртела образуется граничная пленка, не вызывающая капельных утечек, но определяющая зависимости f{v) и /(р), свойственные граничной смазке. Зависимость условной толщины пленки Ah и удельных утечек V от у, ц и р для различных уплотнений показана на рис. 4.10. При высоком давлении среды существенно проявляется увеличение вязкости жидкости - характер зависимости Ah (р) для масел с пье-30коэффициентом а = 0,03 МПа" и глицерина с а = 0,006 МПа" различен (рис. 4.11, а и г). Толщина пленки при обратном ходе 62 быстро уменьшается с повышением давления, поэтому часто пленка уносится при прямом ходе (Ч* > > 0,5) и не возвращается в полость при обратном ходе. Соответственно при прямом ходе действует малая сила трения, при обратном - большая.

О О

О W 0,5 р=24МПа

1,6 5,2 4,8 6,4 Е *)

Рис. 4.9. Экспериментальные зависимости функциональных коэффициентов (а) и коэффициента трения (б) от критерия h при прямом (зачерненные точки) и обратном (светлые точки) ходах и различных режимах смазки:

/-Граничная; Я-Ш - граничная и полужидкостная; /V-полужиджостная; V-гидродинамическая

Ah, мкм 6

v,mIc uh,mkm

v,mIc &h,MKM 10,3

0,004

о,оог

,,,10 го зор,мпа

0,0003 о,оог

0,02 0,05 0,1 v,m/c

Рис. 4.10. Экспериментальные зависимости условной толщины пленки от давления и скорости скольжения для различных уплотнений и рабочих жидкостей:

я - кольцо круглого сечения, масло МС-20; б - кольцо круглого сечения, масло АУП; в - кольцо пилообразного сечения, масло МС-20

В УПС С несимметричным распределением контактного давления, например, в кольцах пилообразного сечения контртело может нагнетать жидкость из внешней во внутреннюю полость. Это явление объясняется появлением более толстой пленки при обратном ходе контртела (82 > 5i), обусловленной соотношением градиентов давления р2 < pwi-УПС, обладающие насосным эффектом, называют активными. При отсутствии жидкой смазочной среды снаружи УПС иногда могут работать без утечек, несмотря на наличие пленки на контртеле. Если во внутренней полости начальное давление р = О и снаружи УПС имеется жидкость, в результате насосного эффекта в полости может возникнуть давление р„.

Рис. 4.11. Экспериментальные зависимости

толщины пленки масел и глицерина от давления (а, б, г) и скорости скольжения (в) для колец круглого (а, в, г) и пилообразного (б) сечений