Уплотнения соединений пар возвратно-поступательного движения

4.3. Эластомерные уплотнения

Свойство высокоэластичных материалов позволяет объединить все основные элементы УПС в одну компактную деталь - уплотнитель кольцевого или манжетного типа (рис. 4.12 и 4.13). Такие УПС характеризуются высокой герметичностью и работоспособностью при vO,5...3 м/с, Э=-50...100°С или 9 =-10...150°С и р15 МПа при наличии защитных элементов (в гидроцилиндрах домкратного типа при р < 100 МПа). Простота и компактность в сочетании с низкой стоимостью обеспечили этим УПС широкое распространение в гидро- и пневмоцилиндрах и других устройствах. Они допускают больщие монтажные деформации, поэтому пригодны для монтажа в компактные неразъемные места установки. Антифрикционные свойства и ресурс эластомерных УПС относительно невысокие.

Кольцевые - УПС. В УПС наиболее широко применяют резиновые кольца кру1лого, овального, Х-образного и пилообразного сечений. Они отличаются наибольшей простотйй и компакт-

Рис. 4.12. Кольцевые УПС (*, г, д, е, ж) в уплотнительных устройствах цилиндров (а, б) и штоков (з):

I - деталь, неподвижная относительно УПС; 2 -контртело (цилиндр или шток); 3 - защитные кольца; 4 - уплотнитель

ностью, обеспечивают двустороннее действие, универсальны в применении -пригодны для герметизации и штоков, и цилиндров.

Кольца круглого сечения (см. рис. 4.12,г) применяют в качестве уплотнителя или силового элемента в пластмассовых УПС. Их конструкции и размеры регламентированы ГОСТ 9833-73 и различными ОСТами. Технические требования установлены ГОСТ 18829-73. В гидро-и пневмосистемах летательных аппаратов применяют УПС с кольцами круглого сечения по ГОСТ 9833-73, ограниченному ГОСТ 23823-79. Конструкция и размеры защитных колец из фторопласта-4 регламентированы ГОСТ 23825 - 79. Размеры посадочных мест под УПС для диаметра штока D = = 3... 400 мм приведены в табл. 4.2. Перспективно применение колец круглого сечения для микроцилиндров (Ь <

; 2 J 4 3 2 S

Рис. 4.13. Манжетные УПС (б, в, г, д, е) в уплотнительных устройствах цилиндров (а, к) и штоков {ж, 3, ы, л);

1 - контртело; 2 - уплотнитель; 3 - защитные кольца; 4 - деталь, неподвижная относительно УПС; 5 - манжетодержатель; б - пружина

Таблица 4.2

Основные размеры мест установки по ГОСТ 23823 - 79 уплотнительных колец круглого сечения по ГОСТ 9833-73

< 3 mm) систем гидро- и пневмоавтоматики. Существенным недостатком этих колец является склонность к скручиванию под действием сил трения, ведущая к потере герметичности и повреждениям колец, возрастающая с увеличением D. При хорошем смазывании колец скручивания нет до D < 100... 150 мм, при плохом - (например, при работе в среде бензина) наблюдается скручивание колец уже при D = 30 мм. Утечки через кольца круглого сечения интенсивно возрастают с увеличением р, t; и ц (см. рис. 4.10), поэтому их целесообразно применять только при легких режимах или во

6 Под ред. А. и. Голубева и Л. А. Кондакова

внутренних УПС. Эти кольца отличаются высокими начальными силами трения Руо =/Ро (см. рис. 3.6 и 1.28) в момент .страгивания с места. Для колец Сй?=ЗммРуо«30 Н/см. Стандарт не регламентирует силы трения Ру, утечки V и ресурс L этих колец. Ресурс работы колец по пути скольжения обычно не превышает 100 км. Типичный пример применения колец круглого сечения - гидроцилиндры станочных приспособлений по ГОСТ 19897-74 и ГОСТ 19900-74.

Кольца овального сечения (см. рис. 4.12, д) предназначены для УПС на £) = = 50... 500 мм. В отличие от колец круглого сечения они не скручиваются и поэтому более надежны в работе. Размеры колец овального сечения и посадочных мест под них приведены в табл. 4.3 [78]. При р>15 МПа их рекомендуется применять с защитными кольцами. Их ресурс достигает ресурса колец круглого сечения. Недостатки ко-

Таблица 4.3

Основные размеры резповых уплотнительных колец овального сеченн и их мест установки в пггоках и цилиндрах

леи овального сечения - повышенные сила трения и ширина УПС.

Кольца Х-образного сечения (йм. рис. 4.12, е, ж) устойчивы к скручиванию, по сравнению с кольцами круглого сечения более герметичны в динамике и создают меньшие силы трения вследствие оптимального распределения контактных давлений рк и рк (см. рис. 3.5 и рис. 3.7). Боковые поднутрения способствуют снижению Ро при высоком давлении рко на скользящих элементах (при р < J, МПа для кольца Х-образного сечения Р/о в 2 раза меньше, чем для кольца круглого сечения). Малые габариты и свойство двустороннего действия колец Х-образного сечения обусловливают их преимущественное применение в качестве УПС поршней гидроцилиндров систем автоматики. Размеры колец зарубежных фирм (см. рис. 4.12, е) близки к размерам колец круглого сечения -такие кольца устанавливают в канавки с деформацией е = 10... 20 %. При больших Е сила трения резко увеличивается, так как в контакт вступает средняя часть сечения кольца. В отечественных гидроцилиндрах стоек и домкратов горно-шахтного оборудования применяют кольца (манжеты двустороннего действия) по СТП 004012.153-83 на Вц = = 60... 250 мм в комплекте с защитными кольцами по СТП 004012.154-83 из литьевого полиамида 610 или блочного капролона В. Они работоспособны при р 32 МПа и i; 0,5 м/с или при р96 МПа и и < 0,05 м/с. Высота Я (см. рис. 4.12) посадочных мест для комплекта колец соответствует высоте манжет типа 1 по ГОСТ 14896-84, а ширина В примерно в 1,5 раза больше.

Кольца пилообразного сечения (см. рис. 4.12, в) предназначены для герметизации штоков. Наибольшее применение получили в гидравлических амортизаторах автомобилей, в качестве внешней ступени двухступенчатых уилотнитель-ных устройств штоков D = 10...30 мм (рис. 4.14) [21]. В условиях эксплуатации на РЖ типа АУ, АМГ-10, МГП-10

Рис. 4.14. УПС штока гидравлического амортизатора автомобиля: а - конструкция; б - сечение кольца (/ - внутренняя ступень с кольцом круглого сечения; 2 - пружина; 3 - ступень с кольцом пилообразного сечения; 4 - смазывающее фетровое кольцо; 5 - грязесъемное кольцо)

при р < 0,15 МПа, V <3 м/с и 9 = = - 50...-ь 60°С эти кольца обеспечивают высокую герметичность (Г< < 0,001 смм; 1-2 класс) и ресурс L 500 км при iV = (5...7) 10*, но для этого необходимо высокое качество поверхности штока (Ra = 0,04... 0,08 мкм).

Контактное давление рко на кромках скользящего элемента создается в результате растяжения колец по диаметру Dk на 5-10% (без сжатия в канавке). Рассматриваемое УПС - характерный пример комбинированного уплотнения. Дополнительное давление создается силовым элементом - осевой пружиной, упирающейся в коническую поверхность кольца. Угол у наклона кромок должен быть ориентирован в сторону уплотняемой полости. Высота и ширина кольца: = 0,5D, / = 0,8D. Экспериментально установлено (см. рис. 4.10), что для колец пилообразного сечения с двумя кромками характерно несимметричное распределение давления рко, обеспечивающее при работе насосный эффект (рн« а; 5 МПа), который при правильной

ориентации кромок препятствует утечкам жидкости. При р < Рн утечки вязких жидкостей через УПС в динамике практически отсутствуют. Кольца пилообразного сечения устойчивы к скручиванию, их размеры близки к размерам колец круглого сечения.

Манжетные УПС. Основным уплотнителем этих УПС являются манжеты, которые по сравнению с кольцами обеспечивают нониженные силы трения Pf при р < 1 МПа и больший ресурс. Гибкие губки манжет допускают повышенные радиальные смещения контртела. Между губками манжеты может быть размещен дополнительный силовой элемент - пружина (см. рис. 4.13, з, и), существенно повышающая стабильность контактного давления. Манжетные УПС имеют ряд недостатков: способность только к одностороннему уплотнению, увеличенные габариты, необходимость спаренных манжет на поршне гидроцилиндров двойного действия (см. рис. 4.13, а), необходимость дублирования манжет другими уплотнителями в УПС штоков для исключения подсоса воздуха при разрежении в рабочих полостях. При отсутствии дополнительных силовых элементов контактное давление РкО на кромке манжеты менее стабильно, чем у колец, что может вызвать потерю герметичности при низком р, поскольку напряжения от деформации губок соизмеримы с напряжениями от набухания и температурных деформаций. ГОСТ 14896 - 84 рекомендует для обеспечения герметичности при р < < 1 МПа за манжетой устанавливать дублирующее кольцо круглого или овального сечения. При высоком р увеличивается не только герметизирующая способность манжет, но и сила трения Р/ (площадь поверхности контакта больше, чем у колец). Для предотвращения выдавливания тыльной стороны манжеты в зазор применяют защитные кольца 5 (см. рис. 4.1}. а, ж). Для фиксации манжеты и исключения попадания губки манжеты в зазор при обратном ходе контртела или действии на манжету

большого давления с тыльной стороны применяют манжетодержатели 5 (см. рис. 4.13, а). В цилиндрах двойного действия с двумя манжетами на поршне (см. рис. 4.13, а) негерметичность одной из манжет при высоком р может привести к разрушению второй манжеты давлением с тыльной стороны даже при наличии манжетодержателя. Чтобы исключить такую возможность, рекомендуется применять манжетодержатели типа защитных колец (рис. 4.13, к).

Манжеты гидравлических устройств (ГОСТ 14896 - 84) предназначены для герметизации штоков и цилиндров диаметром от 4 до 950 мм, работающих при V 0,5 м/с в средах, указанных в табл. 4.4, при р = 0,1... 10 МПа или в УПС с защитными кольцами при р 50 МПа. Манжеты симметричного профиля (табл. 4.5) пригодны для герметизации штоков и цилиндров. Согласно ГОСТ 14896-84 изготовляют манжеты трех типов в зависимости от давления среды. Манжеты типа / (см. рис. 4.13, г) предназначены для р = 0,1... ...50 МПа. Манжеты типа 2 (см. рис. 4.13, в), предназначенные для р = = 0,25... 32 МПа, выпускают только для ремонтных работ и не рекомендуются для новых разработок. Ресурс L манжет по пути скольжения в зависимости от условий эксплуатации дан в табл. 4.6. Гарантийный срок эксплуатации манжет типов 1 и 3 для D и Du до 500 мм, применяемых в автомобилях, тракторах, дорожных и сельскохозяйственных машинах, равен общему ресурсу, указанному в табл. 4.3. При применении манжет в других изделиях предварительная гарантия 2 года для L= 5 км. Гарантийный срок хранения манжет типов 1 и 3 - 2 года с момента изготовления. Нормы на герметичность: утечки в статике не допускаются, в динамике V< < 0,5 см/м (для манжет типов 1 и 2) и Г< 0,2 см/м (для манжет типа 5). Условное обозначение манжет: тип манжеты - Du X D (в мм) - группа резины, например: Манжета 1-20x12 - 1 ГОСТ 14896-84.

Таблица 4.4

Характернстикн н условия применения манжет по ГОСТ 14896 - 84

* Или I год при 9 < 120 °С, или 80 сут, при 9 < 150°С, или 300 ч при 9 < 200 °С. ♦* Или 220 сут. при 9 < 120 °С, или 40 сут., при 9 < 150 "С. Примечание. Срок службы манжет совпадает с общим ресурсом.

Защитные кольца рекомендуется выполнять трапецеидального профиля без разреза или с разрезом под углом 30-45 ° (см. рис. 4.22, в). Материалы для защитных колец: полиамид 610 при 9 = - 50 °... + 90 °С и р 50 МПа, фторопласты при 9 = - 50...+150°С и р < 32 МПа (фторопласт-4), р 50 МПа (фторопласт-40, Ф-4К20, Ф-4С15).

Манжеты гидросистем станков (РТМ2

Г97-1-76) отличаются от стандартных геометрией кромки (см. рис. 4.13, д), благодаря чему улучшена герметичность в динамике и увеличен ресурс до 9000 км в цеховых условиях при р < < 10 МПа [74]. Размеры манжет соответствуют типу 1 по ГОСТ 14896 - 84.

Манжеты с пружинным силовым элементом (см. рис. 4.13,3, и) предназначены для штоков. Применение браслетных

Таблица 4.5

Основные размеры резиновых манжет для гидравлических устройств по ГОСТ 14896 - 84 и мест установки под них в штоках и цилиндрах

пружин 6 позволяет стабилизировать контактное давление во времени и во всем диапазоне рабочих температур, что улучшает эксплуатационные показатели. Размеры этих манжет близки к размерам манжет типа 1 по ГОСТ 14896-84. Для повышения надежности контакта по неподвижной поверхности манжеты снабжают армирующим кольцом. Аналогичное конструктивное решение имеют манжеты штоков клапанов ДВС (см. рис. 4.13,«). Манжеты устанавливают на специальный выступ корпусной детали. Благодаря высокой эффективности такие манжеты практически вытеснили ранее применявшиеся в клапанах ДВС резиновые кольца и манжеты без пружин.

Манжеты для пневматических устройств (ГОСТ 6678-72) предназначены для герметизации штоков и цилиндров с D = 12...320 мм, работающих при и < 1 м/с и р = 0,005... 1 МПа. Для воздуха с парами масел или топлив применяют манжеты из резин группы 1 на основе СКН-18 и СКН-26 (9 = - 55... ... + 50 °С), группы 2 на основе СКФ-26 (9 = - 20... +150 °С), группы 3 на основе СКН-40 (9 = - 30... + 100 °С). Для воздуха при 9 = - 65... +100 °С используют манжеты из резины группы 4 на основе СКМС-10. С целью снижения сил трения и габаритов УПС предусмотрено два типа манжет: 1 - для цилиндров (см. рис. 4.13, е) и 2-для штоков (см. рис.