что соизмеримо с температурными деформациями при ДЭ« 100...200°С. Поэтому пластмассовые УПС обычно являются комбинированными уплотнениями и содержат как минимум две детали - уплотнитель и силовой элемент (пружину) из стали или резины (см. рис. 4.19).

Стальные предварительно оттариро-ванные пружины обеспечивают высокие точность и стабильность рко, необходимого для надежной работы УПС. При уменьшении рко увеличиваются утечки, при повышении - силы трения, температура, интенсивность изнашивания. Удельные усилия пружин Рп назначают, исходя из необходимых для герметичности давления рко и ширины скользящего элемента /: Рп = рко- Для обеспечения герметичности при р = О необходимо Рко = 0,1... 1,0 МПа. При этом учитывают, что в неразрезных кольцах технологические допуски AD, температурные деформации AD%, износ Д/)/ и набухание в среде AD„ изменяют ро на Дро = = 2EU (AD - АОэ -АО,- AD)/D\ где ADb = (а - а„) D Д9; Д9 = 9i - Эо, 9i и Эг - температуры при работе и сборке. Чтобы уменьшить Дрко в УПС из мягких пластмасс, назначают 100 1» = 1... 5, 100 ADjD < 0,5. Жесткие пластмассы (текстолиты, графелон, флубон и др.) применяют в разрезных уплотнителях - поршневых кольцах, у которых изменения размеров компенсируются зазором в замке. При действии давления среды р давление рк увеличивается: рк = Рко -Н кр, где fep - коэффициент передачи давления (для манжет кр> i). Механизм увеличения Рк в поршневых кольцах описан в подразд. 4.5.

Механизм герметизации УПС из мягких пластмасс в статике аналогичен механизму герметизации эластомерных УПС вследствие малой твердости Я последних (см. табл. 3.4) по сравнению с фактическим давлением р, (см. подразд. 3.1). Деформируемость поверхности контакта у пластмасс хуже, чем у эластомеров, поэтому они при скольжении не могут копировать форму микроповерхности твердого контртела. Между

поверхностями возникают макрощели (порядка Rz контртела), в которые проникает среда под высоким давлением (см. рис. 4.19, г). При герметизации вязких сред в макрощелях возникает дополнительное гидродинамическое давление Рг, которое способствует дополнительной деформации уплотнителя и образованию клинообразных макрозазоров 6, поэтому общие закономерности гидродинамических процессов [см. подразд. 1.2 и 4.2, а также уравнение (1.27)] распространяются на УПС из мягких пластмасс. Исходя из этих предпосылок, создают наиболее эффективные кольца пилообразной формы (см. рис. 4.19, е) с коническими рабочими кромками (у = 70... 90°, а=1...10°). Такие уплотнения являются активными и могут создавать насосный эффект (см. подразд. 4.2).

Шевронные манжеты изготовляют из полиамида, полипропилена и фторопласта. По конструкции и габаритам они аналогичны резинотканевым манжетам по ГОСТ 22704 - 77 и отличаются лишь уменьшенными до 1-2 мм толщиной губок и углом между ними (45-60°). Эти манжеты монтируют только в разъемные канавки.

Полиамидные манжеты (МН 5652 - 78) [1] предназначены для герметизации штоков и цилиндров диаметром от 12 до 750 мм. Работают при и 2 м/с в среде воды или эмульсии при р < 100 МПа и Э = 0...90°. Основная область применения - гидропрессовое оборудование.

Фторопластовые манжеты. Уплотнительные кольца по ГОСТ 17820 - 72 из фторопласта-4 предназначены для герметизации штоков (D = 8...16 мм) регулирующих органов исполнительных устройств ГСП, работающих при р < <6,4 МПа, и < 0,015 м/с и О = -50... ... + 225 °С. Число колец в пакете « > 4, рекомендуется применять осевую пружину, создающую на опорном кольце Рк = 2... 2,5 МПа. Герметичность проверяют по отсутствию пузырьков воздуха или азота при р = 6,4 МПа. Гарантий-

ный ресурс Г=10 L=50...200 км в зависимости от D.

Фторопластовые манжеты V-образного профиля (см. рис. 4.19, б, в) изготовляют из фторопласта-4 или его композиций для штоков и цилиндров диаметром от 4 до 400 мм. Применяются в гидро- и пневмоцилиндрах, требующих минимальных сил трения [98], при р 40 МПа. 9 = - 50... 225 °С. Размеры примерно соответствуют размерам манжет типа 1 по ГОСТ 14896-84. Толщина губки ж 1 мм, силовой элемент - стальная пружина (ленточная, спиральная или V-образная с разрезами) с усилием Рп % 10 Н/см.

Фторопластовые кольца с силовым элементом из резины (см. рис. 4.19, г -е) применяют в гидроцилиндрах систем автоматики для штоков и цилиндров диаметром от 6 до 700 мм при р < 40 МПа и i; 15 м/с [1, 98]. Они состоят из фторопластового кольца прямоугольного, П-образного или пилообразного сечения и силового элемента - резинового кольца круглой или прямоугольной формы. По габаритам близки к резиновым кольцам по ГОСТ 9833-73, характеризуются двусторонним действием, допускают монтаж в неразъемные канавки. Для внешних соединений рекомендуются кольца пилообразного сечения (см. рис. 4.19, е), которые благодаря гидродинамически активному действию обеспечивают более высокую герметичность. В гидроцилиндрах используют по два таких УПС, устанавливая их в отдельные канавки. По сравнению с резиновыми кольцами они имеют меньшую силу трения и больший ресурс. Совместимость с рабочей средой, температурный диапазон и старение УПС определяются резиновым элементом.

Фторопластовые уплотнительные устройства с гофрированными пружинами (ГОСТ 23817-79 - ГОСТ 23821-79) состоят из двух разрезных колец с развернутыми в диаметрально-противоположные стороны замками и стальной ленточной гофрированной пружины.

отжимающей кольца от дна посадочной канавки. Они предназначены для герметизации цилиндров (2)ц = 18...100 мм) в среде РЖ при р < 21 МПа, v < 0,5 м/с, 9 = -60... 125 °С. Характеризуются двусторонним действием и допускают монтаж в неразъемные канавки. Допускаемые утечки при работе на масле АМГ-10 - не более 50 сммин. Усилие страгивания Ро при п = 1, р = 0и9 = = (25 ± 10) °С до 5 Н при D 40 мм и до ЮН при D > 40 мм. Для повышения надежности и ресурса рекомендуется применять по два уплотнения в отдельных канавках. Высота фторопластовых колец примерно равна высоте манжет типа 1 по ГОСТ 14896-84, ширина - в 2 раза меньше, чем у манжет. Необходимый для нормальной работы уплотнения торцовый зазор (см. рис. 4.6) а = 0,1... 0,15 мм (кольца подбирают по фактической ширине канавки). Невысокая герметичность уплотнения вызвана наличием разрезов на кольцах и отсутствием начального прижима колец по торцам. В компрессоростроении широко применяют аналогичные поршневые кольца из наполненных фторопластов и полиамидов, текстолита и графелона [58]. При этом компрессоры работают без смазочного материала до 20 - 40 тыс. часов.

Плавающие кольца с браслетными пружинами [60] (рис. 4.19, ж, з) состоят из неразрезного фторопластового кольца и стальной браслетной пружины, прижимающей кольцо к контртелу и торцу канавки. Предназначены для поршней и цилиндров диаметром от 18 до 100 мм, работающих при v 4,0,5 м/с в среде минеральных масел при р 63 МПа и 9 = - 60...130°С. Допускают монтаж в неразъемные канавки. Габариты колец примерно соответствуют ГОСТ 23817 - 79. После опрессовки и обкатки капельная течь в статике отсутствует. При р = О Ру < 3 Н/см. Ресурс УПС, составляющий при р = 32 МПа и работе на масле типа МГЕ-10 более 200 км, может быть существенно повышен заменой колец из фторопласта-4 кольцами из его наполненных композиций. Срок эксплуа-

тации и хранения - 20 лет. Уплотнения выпускают в двух исполнениях - для штоков (см. рис. А.\9,ж) и цилиндров (см. рис. 4.19,з). При действии давления р = 0,3...1 МПа с тыльной стороны торцовый контакт колец раскрывается и обеспечивается клапанный эффект, поэтому на поршнях устанавливают по два уплотнения с различной ориентацией колец (см. рис. 4.19,з). Стабильность давления на радиальном и торцовом контактах обеспечивают тарировкой усилия пружин с допуском ±10%. Малая ширина скользящей поверхности колец (1,5...3 мм) обусловливает минимальные силы трения при высоком давлении. Запас на изнашивание составляет до 50% массы колец. Кольца практически не деформируются под действием давления, поэтому для гидроцилиндров с такими УПС характерны высокая жесткость и большая точность нозицио-нирования.

Многофункциональные отключаемые УПС совмещают функции клапанных и уплотнительных устройств. Типичным примером таких УПС являются уплотнения поршней главных цилиндров тормозных гидросистем автомобилей (рис. 4.20). В нерабочем положении / полость гидроцилиндра / соединена с пополнительным баком , так как уплотнение 6 поршня 2 отжато от торца канавки

Рис. 4.20. Главный цилиндр гидравлического привода тормозов автомобиля до (/) и после ( ) нажатия педали тормоза: / - гидроцилиндр; 2 - поршень; 3 - толкатель; 4 - уплотнение поршня вспомогательное; 5 - грязезащитный чехол; 6 - отключаемое уплотнение поршня; 7 - пружина уплотнения поршня; 8 - пружина; 9 - упорное кольцо; 10 - упорный винт; и - пополнительный бак

Рис. 4.21. Отключаемые эластичные УПС в золотниковых пневмогидрораспределителях: i - золотник; 2 - уплотнитель; i - корпус; 4 - защитное кольцо

поршня металлическим кольцом 9, упирающимся в винт 10. При нажатии на педаль тормоза толкатель 3 перемещает поршень 2 в положение , кольцо 9 отходит от винта 70 и пружина 7 прижимает кольцо 6 к торцу канавки поршня 2. Герметичность УПС восстанавливается и полость гидроцилиндра / отсекается от бака . Герметизацию второго конца поршня обеспечивает вспомогательное уплотнение 4. Пыле-грязезащита толкателя и гидроцилиндра осуществляется резиновым чехлом 5. На рис. 4.21 показаны отключаемые УПС, широко применяемые в золотниковых пневмо- и гидрораспределителях станков и, роботов [60]. Отключение таких УПС происходит при выходе контртела из контакта с ними при осевом перемещении золотника. Под действием давления при отключении возможно вьщав-

ливание УПС в зазор. Для надежной фиксации в канавках применяют Т-образные кольца (рис. 4.21, а). Наиболее подвержены экструзии УПС, выходящие при отключении в полость с низким давлением (рис. 4.21, б, в). Экструзии не происходит, если УПС, размещенные в корпусе (рис. 4.21, г) или на золотнике (рис. 4.21, Э), при отключении выходят в полость с высоким давлением.

4.5. Поршневые кольца

Поршневые кольца - разрезные кольца (рис. 4.22, а) из металлов, пластмасс, углеграфитов или композиционных материалов, применяемые в УПС для герметизации цилиндров гидравлических систем, компрессоров и ДВС, при необходимости обеспечения очень больших ресурсов. В гидравлических системах и ДВС применяют преимущественно металлические кольца. В компрессорах, в которых для работы колец необходима система смазки, в последнее время применяют бессмазочные УПС из неметаллических материалов.

В простейшем исполнении кольца

имеют прямой или косой разрез (рис. 4.22, б, в) либо соединение внахлестку (рис. 4.22, г). Уплотняющий эффект основан на плотном прилегании колец к зеркалу цилиндра и торцовой стенке канавки поршня (рис. 4.22, Э). Наружный диаметр кольца Du должен быть больше диаметра цилиндра Вц, чтобы при установке колец в результате их деформаций на цилиндрической уплотняемой поверхности создавалось начальное контактное давление рко- Поршневые кольца относят к классу контактных уплотнений, элементы структурной схемы которых объединены в одной детали (в том числе силовой в форме кольцевой пружины).

Вследствие отклонений формы поверхностей разрезным кольцам присущи свойства щелевых уплотнений. Высота канавки превышает высоту кольца, поэтому имеется значительный зазор, и прилегание торца кольца к канавке обеспечивается только силой Ра (рис. 4.22, е). Действующие на кольцо радиальные силы Pr увеличивают плотность прилегания и контактное давление рк = = РкО + fepP. Герметичность колец неве-

Рис. 4.22. Схемы действия сил в контакте поршневого кольца I и цилиндра 2

лика, поэтому УПС обычно представляют собой многоступенчатую конструкцию из двух-шести колец (см. рис. 4.6). Кольца из углеграфитовых материалов обычно состоят из трех-четырех сегментов, поджимаемых пружиной; их применяют также для герметизации штоков.

Механизм герметизации. В поршневых кольцах возможны утечки среды по цилиндрической (gi) и торцовой (Qi) областям контакта, а также по разрезу (замку). Плотность соединения обеспечивается контактными давлениями рк = Рко 4-+ кяр и ркт = fcrp, создаваемыми соответственно силами Рц и Ра (рис. 4.22,е,ж). Между поверхностями цилиндра и кольца существует развитая система микроканалов и макрощелей, обусловленных овальностью кольца, волнистостью поверхности, температурными и нагрузочными деформациями. Аналогична система утечек по торцу кольца. Микроканалы в местах «плотного» контакта определяются параметром шероховатости Rz и их размеры достигают размеров зазора (5,-«2 мкм). Размер макрощелей, обусловленных погрешностями формы, б« 10 мкм. Вследствие относительно низких давлений рк и ркт и значительной твердости деталей УПС все микронеровности и дефекты контактной поверхности не заполняются. Механизм образования системы каналов утечки подобен первой стадии процесса для УН (см. подразд. 3.2). Течение жидкости по микро- и макроканалам описывается уравнениями (1.18), (1.28), (1.35) и (3.6). При этом фрикционный расход в направлении оси цилиндра может играть заметную роль только при уплотнении жидкостей с высокой вязкостью. Течение газов описывается уравнениями (1.30) и (1.31). В уравнения утечки следует подставлять размеры неразгруженного кольца (см. рис. 4.22,е): периметр В = nD, ширину аксиальной [1 = Н к « (0,3 - 0,4) J/D] и торцовой к (0,7... ... 1) Н] областей контакта. Обычно для зеркала цилиндра J?a = 0,16 мкм (Rz- = 0,8 мкм), для наружной поверхности кольца до приработки Ra = 2,5 мкм.

после приработки Ra « 0,63 мкм (Rz = = 3,2 мкм), для торцовых поверхностей кольца и канавки Ra = 0,63 мкм (Rz = = 3,2 мкм). Утечки по простому разрезу кольца можно определять как расход по дроссельному отверстию площадью 5з = В363 при истечении под действием перепада давлений Apj. Многоступенчатые УПС при этом подобны лабиринтным уплотнениям, в которых лабиринты образованы ступенями / -/К(рис. 4.22, з). Норма негерметичности для поршневых УПС в гидроцилиндрах, работающих на масле, соответствует классу 6 при Ар = = 1 МПа.

Начальное контактное давление рко, создаваемое в результате деформации кольца при установке в цилиндр, распределено неравномерно (см. рис. 4.22, а). Приближенно [93]

ЕВо

где £ - модуль упругости материала кольца (для чугунов £ = 90... 110 ГПа); Во - деформация по стыку кольца; k -толщина кольца (см. рис. 4.22, д).

Практически для обеспечения герметичности необходимо РкО = 0,03... ... 0,25 МПа, Во «(3,4... 3,8) мм [93]. При действии на кольцо давления р (см. рис. 4.22, е) Рк по торцу увеличивается на р (1 - 2/т/Вц)" и уменьшается под действием противодавления жидкости в зазорах на р/2. Результирующие контактные давления по цилиндрической поверхности и торцу соответственно

Рк1 =Р1Л + kpip; Рк2 = КтР,

где fep, = 0,5 (1 - 2/т/0ц) « 0,5; кр2 = 0,5 для ламинарного течения жидкости по зазорам и кр < 0,5 для течения газов.

Сила трения Рв комплекте изjt колец определяется удельной силой Ру = Ру/ /я/)„:

Ру = иРуо 4-1КЯДр.-; Pf « nPfo + kpflp,

где Руо - удельная сила трения при холостом ходе (р = О, действует рко);У] - коэффициент трения при pt; f=fi, если

/ = const (см. подразд. 2.4); Др( - перепад давлений на кольце.

В целях уменьшения изнашивания колец контактное давление снижают, применяя гидравлическую разгрузку (рис. 4.22, ж). В разгруженных кольцах предусмотрены канавки А по диаметру Сц и Б по торцу для увеличения противодавления. Уплотняющая часть кольца ограничивается участком / х 1, подбором соотношений Я и /т можно обеспечить * 0,1.

Проектирование поршневых колец и выбор материалов (15, 93, 86, 58 и др.]. При & < 450 °С наиболее распространенный материал колец - серый чугун (ЯВ 210... 360). Предел прочности при изгибе кольца из серого чугуна по ГОСТ 846 - 81 не менее 343 МПа, для высокопрочного чугуна - не менее 1080 МПа. Для повышения прирабатываемости и износостойкости колец применяют специальные покрытия из легких металлов (меди, олова, свинца, индия) или твердых металлов (хрома, твердых сплавов) [86,93] Применяют также стальные, бронзовые кольца и кольца из порошковых сплавов. Неметаллические материалы для поршневых колец компрессоров рассмотрены в работе [58].

Поршневые металлические (чугунные) кольца по ГОСТ 9515-81 (1)ц = 20... ...1250 мм, замок прямой или косой, конструкция неразгруженная) предназначены для компрессоров (р < 40 МПа), холодильных компрессоров (v 4,5 м/с, Э 150 °С) и вакуумных насосов. Ресурс достигает 10* ч. Размеры колец указаны в табл. 4.11. Методы испытания - по ГОСТ 7295-81. В сортамент колец входят также маслосъемные кольца.

Поршневые кольца для ДВС по ГОСТ 621-79, ГОСТ 7133-80 "и ГОСТ 846-81 (материал - чугун, замок прямой или косой, конструкция неразгруженная) предназначены для эксплуатации при циклическом изменении темпе-. ратуры (9 < 300 °С) и давления (р < 10 МПа) и переменной скорости (v 15 м/с). В комплект УПС обычно входят компрессионные и маслосъемное

Таблица 4.11

Размеры, мм, поршневых колец по ГОСТ 9515-81 (см. рнс. 4.22)

кольца. Высота колец уменьшена (Н к «0,2 \/Ъ) с целью снижения трения. Герметичность достигается высоким уровнем технологии, обеспечивающей минимальные погрешности формы контактирующих поверхностей. Износостойкие покрытия на поверхности трения обеспечивают ресурс до 10* ч и « 300000 км в течение 10 лет.

Маслосъемные поршневые кольца по указанным ГОСТам отличаются наличием на скользящей поверхности двух рабочих кромок и маслоотводящих каналов в центральной части. Эти кольца обладают высоким скребковым эффектом, чем обеспечивается удаление с поверхности цилиндра слоя масла и находящихся в нем твердых загрязнений.