ЧАСТЬ I

Глава 1. Общие вопросы уплотнительной техники 7

Определения и классификация 7

Физические свойства жидкостей и уравнения гидродинамики 21

Основы теории герметичности 34

Трение уплотнений из эластомеров и пластмасс . . . .45

Критерии оценки и классы негерметичности 52

Г л а а а 2. Материалы уплотнений и рабочие жидкости гидросистем общего назначения 61

Полимерные уплотнительные материалы. Определения, основные физико-механические свойства61

Резины и каучуки....75

Пластмассы 86

Герметики 96

Рабочие жидкости для гидравлических систем 100

Глава 3. Уплотнения неподвижных соедииеиий 107

Герметичность стыка неподвижных соединений107

Механизм герметизации и основы расчета кольцевых эластомерных уплотнений 112

Кольца резиновые уплотнительные круглого сечения . . .119

Проектирование мест установки под уплотнительные эластичные кольца 126

Прокладки и прокладочные материалы 131

Уплотнения резьбовых соединений трубопроводов 142

Резинометаллические уплотнения 147

Разделительные диафрагмовые уплотнения149

Г л а и а 4. Уплотнения соединений пар возвратно-поступательного движения .150

Основные конструктивные группы и области применения . .150

Механизм утечки и трения 155

Эластомерные уплотнения .160

Пластмассовые и комбинированные уплотнения171

Поршневые кольца . . . .175

Глава 5. Уплотнения соединений пар вращательного движении178

Основные конструктивные группы178

Механизм герметизации и расчет манжетных уплотнений валов 181

Тепловой расчет манжетных уплотнений190

Резиновые армированные манжеты для валов193

Глава 6. Совместимость материалов и прогнозирование сроков эксплуатация уплотнении197

Основные положения и критерии сравнения197

Сорбционно-диффузионное взаимодействие полимерных материалов со средами205

Совместимость эластомеров с рабочими жидкостями . . . .210

Прогнозирование сроков эксплуатации эластомерных уплотнений 213

Стойкость полимерных материалов в агрессивных средах216

Старение рабочих жидкостей216

Глава 7. Клапанные уплотнения . .220

Основные сведения . . . .220

Уплотнения типа металл — металл224

Уплотнения с упругой кромкой 229

У плотнения с неметаллическими уплотнителями231

Список литературы242

ЧАСТЬ 2

Глава 8. Торцовые уплотнения. Тео- рва и расчет246

Типы торцовых уплотнений, механизм герметизации . . . .246

Основы теории и расчета контактных уплотнений250

Основы теории и расчета гидродинамических и гидростатических уплотнений265

Силовые и температурные деформации уплотнительных колец 280

Динамика уплотнений . . .284

Глава 9. Конструкции торцовых уплотнений 288

Конструктивные схемы и выбор уплотнений288

Конструктивные элементы торцовых уплотнений297

Материалы313

Уплотнения для нейтральных жидкостей321

Уплотнения для агрессивных жидкостей 324

Уплотнения для жидкостей с твердыми включениями . . . .327

Уплотнения для высокотемпературных жидкостей . . . .334

Уплотнения для кипящих жидкостей и сжиженных газов . .339

Уплотнения для криогенных сред 341

Технология изготовления, требования к монтажу . . . .344

Глава 10. Уплотнения с сальниковой набивкой351

Механизм герметизации и основы расчета351

Сальниковые набивки . . .355

Уплотнения валов машин и шпинделей арматуры361

Торцовые сальниковые уплотнения 373

Глава 11. Щелевые уплотнения . .375

Типы и области применения 375

Режимы течения в щелях 377

Расчет цилиндрических щелей 379

Особенности расчета щелевых уплотнений при высоких перепадах давления382

Расчет лабиринтных щелей 383

Статический расчет уплотнений с плавающими кольцами 388

Динамика уплотнений с плавающими кольцами392

Конструкции уплотнений с плавающими кольцами . . . .394

Магнитожидкостные уплотнения 399

Глава 12. Гидродинамические им- пеллерные и стояночные уплотненна405

Механизм герметизации . .406

Винтовые и лабиринтно-винтовые уплотнения 421

Импеллерные уплотнения. .430

Динамические гидрозатворы

Стояночные уплотнения . .430

Глава 13. Уплотнительные комплексы 433

Принципиальные схемы . .433

Комплексы для токсичных, пожаро- и взрывоопасных сред433

Комплексы для высокотемпературных сред440

Комплексы для сред с высоким содержанием твердых включений 444

Системы обеспечения работоспособности двойных торцовых уплотнений449

Системы аварийной электрической защиты уплотнительных комплексов455

Список литературы457

Приложение459

Уплотнительные устройства (уплотнения) применяют в подвижных и неподвижных соединениях конструкций для разделения сред с различными физическими свойствами и (или) параметрами.

Условия их эксплуатации весьма разнообразны, поскольку трудно назвать область техники, в которой не возникала бы проблема герметизации. Часто именно уплотнения определяют качественные показатели машин, а также допустимые районы их применения. Неверный выбор уплотнений или их низкое качество и неправильная эксплуатация могут привести к отклонениям показателей работы машин, снижению их надежности, большим экономическим потерям.

Уплотнения, как правило, просты по конструкции и имеют малые габариты, но при этом выполняют исключительно ответственные функции. В ряде случаев с помощью простых уплотнительных устройств невозможно достаточно эффективно решить задачу герметизации, поэтому в особо ответственных объектах (например, энергетических установках и аппаратах химических производств) применяют сложные уплотнительные комплексы, которые кроме уплотнений основного назначения включают различные системы (обеспечивающие, аварийные, дублирующие).

Долгое время разработка уплотнений была основана лишь на опыте и интуиции конструкторов, применявших при выборе уплотнений общие методы проектирования деталей машин. В начале XX века номенклатура уплотнительных устройств была ограничена: прокладки для неподвижных соединений, манжеты и сальники для подвижных соединений, диафрагмы для различных воздуходувок, золотниковые и клапанные пары в гидроаппаратуре. Создание новых видов уплотнений всегда связано с появлением машин новых классов. Так, развитие двигателе- и компрессорострое-

ния (появление поршневых ДВС и компрессоров) привело к созданию поршневых колец. Развитие энергетического машиностроения вызвало необходимость разработки динамических бесконтактных уплотнений (главным образом лабиринтных), что позволило значительно повысить частоты вращения валов.

В 1895—1900 годах были изобретены торцовые уплотнения, которые начали применять в холодильных компрессорах, центробежных насосах и других машинах лишь в 20-х годах. В это же время появились роторные аксиальнопоршневые гидромашины с торцовыми шлицевыми уплотнениями — распределителями.

Качественный скачок в развитии уплотнительной техники связан с созданием маслобензостойких резин на базе синтетических каучуков (эластомеров). Уникальные свойства резины и возможности технологии формования изделий из нее позволили создать многообразные конструкции высокогерметичных, простых, наиболее дешевых и универсальных уплотнений. Самыми универсальными из них являются кольца круглого сечения, широко применяющиеся с 40-х годов во всех областях машиностроения. Для 50-х годов, когда уплотнения новых видов начали широко внедрять в различные отрасли техники, характерны низкий уровень стандартизации, большое число типоразмеров и малый ресурс уплотнений. В целях повышения качества уплотнительных устройств и их рабочих параметров необходимо было разработать научные основы проектирования и стандартизации, изучения закономерностей герметизации машин, выработки научно обоснованных правил эксплуатации.

Значительные трудности, возникшие при разработке теории уплотнительной техники, были связаны с необходимостью комплексного подхода к вопросам, решаемым на стыке нескольких

наук. Для уплотнений любого вида необходимо было выявить закономерности физических и химических процессов, происходящих в элементах уплотнений. Механизм уплотнительного действия обычно обусловлен не только механическим взаимодействием контактирующих поверхностей, но и процессами трения в зоне контакта, а также химическими превращениями материала в процессе эксплуатации при контакте с различными средами.

В процессе интенсивных работ по созданию теории уплотнительной техники были разработаны новые конструкции различных уплотнений, а также найдены пути повышения качества существующих уплотнений. Наиболее важными вопросами уплотнительной техники являются комплексный анализ проблем герметизации объектов и выбор оптимальных систем уплотнений объекта в целом.

Для стандартизации и проведения комплексных исследований на базе современной методологии необходимо упорядочить основные понятия и классификацию уплотнений. Координацию исследований в этой области осуществляют научно-технические общества (ASME, • SAE, ASLE в США, BHRA в Великобритании и др.), которые периодически организуют международные и национальные конференции по уплотнительной технике [67, 97, 101]. Семь аналогичных конференций проведено странами — членами СЭВ [100], периодически проводятся всесоюзные совещания в СССР.

Издано много монографий, в которых рассмотрены конструкции уплотнений отдельных классов [2, 14, 29, 35, 36, 47, 49, 57, 70]. За рубежом систематически выходят справочники и каталоги [98, 99, 103 и др.].

В предлагаемом читателю справочнике освещен практически весь комплекс вопросов уплотнительной техники, начиная с теории и кончая практическими рекомендациями. Справочник содержит сведения о материалах и конструкциях

уплотнений, указания по эксплуатации, описание методов проектирования уплотнений и прогнозирования их ресурса. Методическое построение подразделов книги основано на постепенном переходе от рассмотрения принципа действия уплотнений и механизма процессов, происходящих в их элементах к расчетным соотношениям. На основе систематизации многолетнего опыта разработана общая теория уплотнительной техники и предложены критерии оценки качества уплотнений, а также методы распространения результатов частных исследований на типовые зависимости для уплотнений данного вида. Включенные в справочник данные соответствуют действующим стандартам на 01.07.86 г.

Справочник состоит из двух частей. В первой (под общей редакцией Л. А. Кондакова) изложены общие вопросы уплотнительной техники и приведены сведения о наиболее распространенных уплотнительных устройствах общемашиностроительного назначения. Вторая часть (под общей редакцией А. И. Голубева) посвящена преимущественно специальным уплотнениям, предназначенным для эксплуатации в агрессивных, абразивных и двухфазных средах при режимах, характерных для агрегатов энергетических, химических, и других отраслей техники.

Во избежание ошибок при проектировании уплотнений ответственных механизмов авторы полагают уместным напомнить о необходимости экспериментальной проверки созданных конструкций.

Введение и гл. 1 — 3, 5, 6 написаны Л. А. Кондаковым, гл. 4 — В. Б. Овандером, гл. 7 — Б. В. Кар- мугиным (подразд. 2.3, 4.1, 4.2 и 4.5 — Л. А. Кондаковым совместно с В. Б. Овандером), подразд. 8.1, 8.2, гл. 10, подразд. 11.9 и гл. 12 А. И. Голубевым, подразд. 9.1—9.7 и гл. 13 — В. В. Гордеевым, подразд. 8.3-8.5, 9.8, 9.9 и 11.1-11.8-Б. А. Фурмановым.

Часть J

Глава Ле

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ УПЛОТНИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Определения и классификация

При разделении нескольких сред в машинах, аппаратах и других объектах возникает проблема герметизации соединений. Применение неразъемных соединений, получаемых запрессовкой, пайкой, сваркой, часто бывает недопустимо по условию эксплуатации. В подвижных соединениях кинематических пар и в разъемных неподвижных соединениях герметизация может быть достигнута только в результате применения специальных уплотнительных устройств или особо точных методов механической обработки (взаимной подгонки деталей).

Уплотнительные устройства применяют буквально во всех отраслях техники, поэтому номенклатура уплотнений исключительно широка, а требования и условия эксплуатации разнообразны. Большинство уплотнений изготовляют на специализированных предприятиях и, кроме того, на многих машиностроительных предприятиях. В настоящее время развилась новая отрасль техники — уплотнительная техника.

Уплотнительная техника [35, 67, 98], или герметология [86] — отрасль техники, разрабатывающая научные основы и практические методы герметизации объектов, проектирования и эксплуатации уплотнительных устройств. Их работоспособность определяет ресурс и надежность большинства объектов, что вызывает постоянное ужесточение требований к уплотнительным устройствам и стимулирует работы по их совершенствованию.

Уплотнительное устройство или уплотнение — устройство для разделения

сред, предотвращения или уменьшения до допускаемых пределов утечки сред через подвижные или разъемные неподвижные соединения. Уплотнения можно подразделить на функциональные элементы и представить в виде структурной схемы с указанием взаимосвязей элементов и их зависимости от параметров сред и соединений. Общими элементами уплотнений различных видов являются уплотняемые поверхности стыка соединения и обеспечивающий герметичность уплотнитель. На работоспособность уплотнения влияют эксплуатационные, конструктивные, технологические, технико-экономические и экологические факторы. Важнейшими из них являются: свойства рабочей и окружающей сред, режимы работы, свойства материалов герметизируемого соединения и уплотнителя, допускаемые пределы утечки, ресурс, общий срок эксплуатации, токсичность и химическая агрессивность сред. Часто для повышения работоспособности создают комбинированные уплотнения, включающие уплотнители нескольких видов, а также сложные уплотнительные комплексы.

Уплотнитель — уплотняющий элемент (специальная деталь, пара или комплект деталей) контактного уплотнительного устройства. В бесконтактных уплотнениях уплотнителем является разделительная жидкая, газообразная или композиционная среда, заполняющая полость уплотнения. Как правило, уплотнители изготовляют на специализированных предприятиях. В соответствии со свойствами материала и характером производства их подразделяют на механические (детали из твердых тел, например.

углеграфитовые или стальные кольца), резиновые или эластомерные (например, резиновые кольца и манжеты), композиционные, набивочные, жидкостные (например, жидкости специальные и разделительные).

Простые уплотнительные устройства не всегда эффективны для герметизации особо ответственных объектов, например энергетических установок и аппаратов химической промышленности. Для повышения ресурса и надежности подвижных соединений (главным образом валов) создают уплотнительные комплексы (УК), включающие несколько ступеней уплотнений основного назначения, дополнительные стояночные уплотнения периодического действия, аварийные дублирующие уплотнения и обеспечивающие системы (СО) охлаждения, защиты, смазывания. Для обозначения уплотнительных комплексов применяют сокращенные термины: концевые уплотнения, торцовые уплотнения (в нефтяном и химическом машиностроении).

По назначению уплотнения подразделяют в соответствии с типом герметизируемого соединения (рис. 1.1). Неподвижные соединения герметизируют постоянно или периодически действующими уплотнениями (УН). Для герметизации подвижных соединений, передающих вращательное движение, применяют уплотнения типа УВ; для

соединений, передающих возвратно-поступательное движение, — УПС; для соединений, передающих более сложные (колебательное, винтовое) движения, — УС. Обычно эти уплотнения постоянно действующие, но иногда необходимы периодически действующие уплотнения, вступающие в работу при аварийных ситуациях. Подразделение уплотнений по назначению удобно для потребителей. Однако многие уплотнения можно использовать в различных соединениях. Так, эластичные кольца применяют в качестве УН, УПС, УВ и УС. Таким образом, для каждой кинематической пары потребитель может выбрать из уплотнений нескольких типов наиболее оптимальное для данных эксплуатационных условий.

Обычно на первом этапе конструирования невозможно выбрать конкретный вид уплотнения, можно лишь наметить систему уплотнений агрегата, пользуясь условными обозначениями (табл. 1.1) и выявить функциональное назначение каждого уплотнения.

Пример. Рассмотрим силовой цилиндр с возвратно-поступательным движением выходного звена (штока). Внутри агрегата находится среда Р, снаружи — среда А, причем проникновение среды Р в среду А недопустимо (например, вследствие ее токсичности). Чтобы обеспечить герметичность, принимаем следующую систему уплотнений (рис. 1.2): 1 — УПС — грязесъемник; 2 —

Рис. 1.1. Типы герметизируемых соединений и индексация уплотнений

Таблица 1.1

Условные графические обозначения уплотнений

Тип

Группа

Класс

контактные

бесконтактные

УН

Кольца

Прокладки

Диафрагмы

•

о

УПС

Одноступенчатые и многоступенчатые (три сту- пени) УПС и УВ Диафрагмы

А А А

УВ

' ■ ■ ■'

гл

U

, п п п.

1—1 □ 1_Г

УК

Уплотнительный комплекс с системой обеспечения

1*

| СО I

УПС низкого давления на штоке; 3 — УПС высокого давления на штоке; 4 — УПС на поршне; 5 — УПС — разделитель сред Р и Л; 6 — дренаж среды Р; 7, 8- УН. Для выбора конкретных уплотнений необходим анализ параметров сред Р и Л, а также характеристик уплотнений различных типов.

Неразъемные герметичные соединения получают при сборке изделий с помощью пайки, склеивания, запрессовки и т. п. Если такие соединения должны обеспечивать передачу движения, применяют различные специальные муфты с диафрагмами — разделителями полостей. В них иногда используют действие электростатических или магнитных полей.

Рис. 1.2. Пример условного обозначения уплотнений в агрегате

Классификация. Полной стандартизованной классификации уплотнений, устанавливающей их иерархическую зависимость, системы индексации и кодирования, пока не создано. Это объясняется главным образом исключительным многообразием видов уплотнений. Однако сложилась определенная система понятий и терминов, используемых в научно-технической литературе, технической документации и производственной сфере. Определена структура кодирования некоторых видов уплотнений в общесоюзном классификаторе продукции (ОКП) [59]. Последний предусматривает следующие иерархические категории продукции: класс, подкласс, группа, подгруппа, вид, внутривидовые группировки. В универсальной десятичной классификации (УДК) и международной классификации изобретений (МКИ) существуют также подклассы уплотнений. В литературе часто употребляют термины-синонимы тип и типаж (например, в справочнике [86] даны типы уплотнений в зависимости от класса герметизируемых соединений). В соответствии с принципом действия и отраслевой принадлежностью предложена классификация уплотнений в следующих категориях (табл. 1.2):

классы — контактные, бесконтактные, разделительные;

подклассы в соответствии с основными эксплуатационными особенностями, определяемыми свойствами уплотнителя: проточные, динамические, эластомерные, механические, набивочные, диафрагмовые и др.;

Класс

Подкласс

Тип

Группа

Подгруппа

Вид (примеры)

Бесконтактные

Проточные

УВ, УПС

УВ

Щелевые

Жидкостные

Газовые

С рабочей средой

С разделительной средой То же, с СОХ

Кольца плавающие

Лабиринтные

Сотовые

Гидрогазо- динамиче- ские

УВ

Импеллерные

Радиальные открытые

Винтовые

Лабиринтновинтовые

Вихревые

Радиальновихревые

Гидростати- ческие

УН

Гидро затворы

Гравитационные Капиллярные С наддувом

-

Магнитножидкостные

С постоянным магнитом С электромагнитом

—

Контактные

Эластичные

УН

Герметиковые

Резиновые

Резинотканевые Резинометал ли - ческие Резиновые с модифицированием Композициони ые

Фланцевое соединение на герметике

Прокладочные

Прокладка паронитовая

Кольцевые

Кольцо резиновое по ГОСТ 9833-73 группы 2

Комбинированные

Кольцо резиновое с защитным кольцом пластмассовым

УПС

УВ

УВ

Кольцевые Манжетные радиальные Комбинированные Грязесъемные

Манжетные торцовые Манжетные стояночные

Кольцо резиновое по ГОСТ 9833-73 группы 1

Манжета резиновая по ГОСТ 14896 — 84 с защитным кольцом Манжета по ТУ 38-105579-73

УВ

Кольцевые

Кольцо фторопластовое с пружиной

Классификации уплотнений

Таблица 1.2

Продолжение табл. 1.2

Класс

Подкласс

Тип

Группа

Подгруппа

Вид (примеры)

Механические

УПС

Манжетные Комбинированные

Металлические

Пластмассовые

Композиционные

Манжета фторопластовая с пружиной

УН

Прокладочные

Кольцевые

Кольцевые трубчатые Комбинированные

Прокладка гребенчатая стальная

Кольцо трубчатое газонаполненное Прокладка спирально- навитая

УВ

Торцовые Торцовые гидростатические

Торцовые импульсные Комбинированные Радиальные

Металлические Графитирован- ные

Пластмассовые Композиционные

—

УПС

Кольцевые разрезные Кольцевые с пружиной Комбин ирован- ные

Поршневые кольца

Набивочные

УПС

УВ

Сальниковые

Асбестоволокнистые Асбестофторопластовые Сухие Войлочные

Сальниковая набивка штока

Периодического действия

Клапанные

Затворные

УН

Радиальные

Торцовые

Металлические Пластмассовые Эластомерные

Клапанные уплотнения металл и металл—резина

Разделительные

Диафрагмовые

УПС

УС

Мембранные

Резиновые

Резинотканевые

Баллон резиновый для гидропневмоаккумулятора

Сильфонные П ы легрязезашит- ные

Металлические

Пластмассовые

Чехол резиновый для рычага

Оболочковые

УН

С подводом газа »жид

кости

Резиновые

Резинотканевые

Стояночное уплотнение вала

Продолжение табл. 1.2

Класс

Подкласс

Тип

Группа

Подгруппа

Вид (примеры)

Гермопередачи

УВ

Кулачковые Электромагнитные Электростатические

-

—

| Класс| Класс| Группа^подгрупп о| Группа^подгрупп о| Вид| ВидI Внутри видовые группировкиI Внутри видовые группировки

| Класс

| Класс

| Группа

^подгрупп о

| Группа

^подгрупп о

| Вид

| Вид

I Внутри видовые группировки

I Внутри видовые группировки

типы по назначению герметизируемого соединения;

группы по особенностям механизма герметизации;

подгруппы по основным конструктивным признакам;

виды по конкретным конструкциям.

Число подгрупп и видов уплотнений значительно больше, чем указано в табл. 1.2. На рис. 1.3 показана структура классификации на примере плавающего кольца щелевой группы. Пример классификационной структуры для резиновой манжеты, используемой в соединениях для передачи вращательного движения (УВ): класс — контактная; подкласс — эластомерная; группа — манжета с пружиной; подгруппа — резинометаллическая армированная с антифрикционным модифицированием (фторирование); вид — с пыльником, с гидродинамической насечкой на рабочей кромке; подвид — исполнение... по ОСТ....

Обычно в наименовании уплотнения указывают группу, подгруппу и вид,

бесконтактные

| подкласс | Проточны^ ^инал^сли^

| Лабиринтные j | Щелевые |

■) Жидкостные |

й Втулки I t Кольца плавающие

। неподвижные 11—-1

С уплотнением поторцу

Рис. 1.3. Пример классификации уплотнений (плавающее кольцо щелевой группы)

например: комбинированное манжетное уплотнение с защитным кольцом.

Для кодирования уплотнений в общесоюзном классификаторе продукции [59] установлены высшие классификационные группировки (ВКГ ОКП). Для формовых резинотехнических изделий установлена группа с кодом 253100, включающая, в частности, подгруппы со следующими кодами: 253111 — кольца уплотнительные; 253120 — манжеты и воротники резиновые; 253130 — манжеты резинометаллические; 253140 — уплотнения резинотканевые; 253150 — чехлы; 253160 — уплотнители; 253161 — прокладки резиновые; 253180 — диафрагмы резиновые и заготовки из мембранного полотна.

Для набивочных уплотнений и прокладок, являющихся продукцией асбестотехнической промышленности, установлена группа с кодом 257000, включающая, в частности, подгруппы с кодами: 257200 — набивки (сальниковые) асбестовые; 257250 — набивки асбестовые проволочные пропитанные, фторсодержащие; 257500 — паронит; 257550 — паронит армированный (ферронит); 257722 — прокладки из полотна асбестового армированного; 257740 — прокладки спирально-навитого типа.

Для торцовых механических уплотнений, комплектно изготавливаемых на заводах нефтехимического машиностроения, установлена группа 363938 ВКГ ОКП.

В международной библиографической системе УДК уплотнениям отведен определенный подкласс: УДК 621.„62-762 (621 - раздел машиностроение, 62-762 — подкласс уплотнения). В системе МКИ с целью упорядоченного хранения

патентных документов и избирательного распределения информации для уплотнений также отведены определенные подклассы в разделе F (механика...): F 16J 15/00 — уплотнения узлов машин; F 02 11/00 — уплотнения двигателей и силовых установок; F 04G 27/00 — уплотнения роторных гидромашин [53].

Рабочая, окружающая и разделительная среды. Рабочая среда (Р) — вещество внутри, окружающая среда (Л) — вещество вне герметизируемого объекта. Каждая среда характеризуется определенным агрегатным состоянием основной фазы (жидкое, газообразное, твердое — сыпучее, плазменное), физическими параметрами и химическими свойствами. Обычно в основной фазе находятся загрязнения, поэтому система всегда является двух- или трехфазной (например, в жидкости взвешены твердые частицы и пузырьки газа). Среду, состоящую из предусмотренной смеси нескольких веществ в разных состояниях (например, мелкодисперсные ферромагнитные частицы в жидкости, коллоидные растворы и т. д.), называют композиционной. При взаимодействии сред между собою и с материалами уплотнения возможны недопустимые химические реакции, изменение физического состояния и т. п. В этом случае среда Р является несовместимой со средой А или материалами уплотнений. Пригодность материалов для работы в условиях взаимного контакта называют совместимостью. В течение заданного срока эксплуатации свойства материалов должны изменяться (вследствие взаимодействия со средами) в установленных пределах. При несовместимости сред А и Р в конструкции агрегата предусматривают гидравлический или газовый затвор, заполненный разделительной средой Б (иногда ее называют запирающей или буферной средой). В уплотнениях некоторых типов разделительная среда может находиться в разных агрегатных состояниях при работе и остановке объекта (например, в гидрозатворах с легкоплавким уплотнителем).

Параметры и физические свойства среды. Основные параметры — давление р, температура 9 и концентрация загрязнений q — влияют на комплекс теплофизических свойств среды (плотность р, вязкость ц, сжимаемость Р, теплоемкость с, теплопроводность X, температура фазового перехода Эь проницаемость D, температуры структурных преобразований 9С, свойства на границе сред — растворимость /1, поверхностное натяжение о, адгезионная способность а).

Зависимость состояния среды от указанных факторов обозначают: для рабочей среды Р {р, 9, ц, р,...}; для внешней среды А {р0, 90, р0, Ро,--}; для разделительной среды Б {р, 9, р, р,...}. Экологические свойства среды оценивают уровнем токсичности, взрыво- пожароопасности, запахом, степенью запыленности и другими показателями. Диапазоны давлений и температур сред, в которых работают уплотнения, чрезвычайно широки. Так, в криогенной технике сжижение, хранение и транспортирование жидких газов происходит при температуре ниже 120 К ( — 153 °C), высокий и сверхвысокий вакуум с давлением р= 10“1... 10“5 Па получают при температуре 4 — 8 К. Применяют рабочие среды с температурой 103—104 К (низкотемпературная плазма, жидкие металлы), с давлением 250 — 600 МПа (насосы и компрессоры технологического оборудования). Обычно в гидросистемах, работающих в диапазоне температур окружающей среды от —50 ( — 80) до 250 °C (300 °C), давление рабочей жидкости достигает 40 (65) МПа.

Эксплуатационные характеристики уплотнения. Основными характеристиками уплотнений являются:

среды, в которых уплотнение работоспособно (см. гл. 2 и 6);

герметизирующая способность, оцениваемая удельной (через единицу периметра) утечкой Q либо утечкой Qs через единицу площади (за единицу времени) в установленных условиях Р {Ро, %} (см. подразд. 1.5);

диапазон температур окружающей среды (см. подразд. 6.1 и 6.4);

диапазон температур рабочей среды;

диапазон давлений окружающей среды;

диапазон давлений рабочей среды;

кинематические параметры герметизируемого соединения и уплотнения: значение и направление относительных перемещений, их скорости, ускорения;

нагрузочные параметры герметизируемого соединения и уплотнения: удельное усилие, контактное давление, экстремальные (ударные) нагрузки;

режим трения, критерий режима (см. подразд. 1.4);

экологические требования: ограничения утечек вследствие токсичности, взрывопожароопасное™ и т. д.;

гарантированный срок службы в установленном режиме или наработка по суммарному пути рабочего органа (см. подразд. 1.5);

срок эксплуатации.

Номинальными называют параметры Рн, ун, 9Н, при которых объект должен работать в течение установленного ресурса. При переменных параметрах р, v, Э, Эо различают эквивалентные

(Рэкв, Уэкв, Ээкв, Ээкво), средневероятные максимальные (ртах, гтах, Этах, 9тах0) И Экстремальные (ртахэ> ^тахэ> ^тахз* Эотахэ) их значения. Методы их расчетов зависят от класса машин. Экстремальные значения параметры принимают крайне редко, но даже при весьма кратковременном их действии уплотнение не должно выходить из строя. В гидросистемах ориентировочно Рн ^ Рэкв * Ртах/2- Рабочее давление р < 10 МПа условно называют низким, р < 25 МПа — средним, р < 40 МПа — высоким и р > 40 МПа — сверхвысоким.

Для оценки показателей качества различных уплотнений применяют критерии сравнения (см. подразд. 1.5). Основные эксплуатационные характеристики уплотнений различных видов показаны на рис. 1.4 (данные усредненные).

Уплотнения одного класса имеют общий механизм герметизации, а следовательно, общие эксплуатационные характеристики, структурные схемы и математические модели (рис. 1.5). Для бесконтактных уплотнений (см. рис. 1.5, а) характерно наличие большого зазора между герметизируемыми полостями, заполненного жидким, газообразным

а — по скорости и давлению; б — по герметичности; в — по температуре; 1 — кольца эластомерные (УПС); 2 — манжеты эластомерные (УПС); 3 — манжеты резиновые армированные (УВ); 4 — то же, с защитным кольцом; 5 — кольца металлические поршневые разрезные (УВ, УПС); 6 — (УПС, УВ) набивочные уплотнения; 7 — уплотнения механические торцовые (УВ); 8 — прокладки механические (УН)

«)

Рис. 1.5 Принципиальные схемы уплотнений различных классов:

а — бесконтактные; 6 - контактные; в - разделительные

или композиционным уплотнителем Б {р, 9, р...}. Механизм герметизации основан на создании в уплотнителе сил Дру, противодействующих давлению Др, вызывающему утечку Q. Область применения этих уплотнений ограничена свойствами материала уплотнителя (например, температурой кипения и застывания жидкости), а также возможностями создания противодействующих сил (например, центробежных, возникающих только при вращении вала). Обычно эти уплотнения применяют в качестве первых ступеней УВ или УПС с целью снижения давления перед основным уплотнением, обеспечивающим герметичность.

Контактные уплотнения (см. рис. 1.5,6) отличаются наличием уплотнителя 1 (здесь эластомерного кольца), плотно поджимаемого специальным силовым элементом 2 к герметизируемым поверхностям. Вследствие малости (или отсутствия) зазора между герметизируемой поверхностью и уплотнителем обеспечивается хорошая герметичность, но в подвижных соединениях развивается значительное трение. Механизм герметизации определяется процессами в зоне контакта: контактной диффузией и течением среды по микроканалам. Разделительные уплотнения (см. рис. 1.5, в) представляют собою твердые (упругие или высокоэластичные) диафрагмы между средами. Механизм герметизации определяется диффузионными процессами в уплотнителе. Диафрагмовые уплотнения обеспечивают самый высокий уровень

герметичности, но ограничивают возможные перемещения элементов.

Подразделение уплотнений на классы имеет условный характер, так как существуют комбинированные уплотнения, в которых сочетаются элементы разных классов, а также уплотнения, механизм герметизации которых зависит от режима работы. Например, торцовые гидростатические уплотнения при остановке и малой частоте вращения являются контактными, а в основном режиме — бесконтактными.

Контактные уплотнения создают в сопряжении деталей зону замкнутого непрерывного контакта по периметру уплотняемых поверхностей, поэтому в их конструкции должны быть специальные элементы: уплотнитель, выполняющий функцию герметизации, и силовой элемент, обеспечивающий контактное давление рк. Принципиальная схема контактного уплотнения показана на рис. 1.6,а. С подвижной уплотняемой поверхностью П контактирует уплотнитель 1 под воздействием силового элемента 2; с неподвижной уплотняемой поверхностью Н контактирует вспомогательное уплотнение 3. В конструкции могут быть также вспомогательные детали 4 — мембранные (рис. 1.6, а) или каркасные (рис. 1.6,6). Конструктивная реализация принципиальной схемы зависит от материала и формы уплотнителя (рис. 1.6,6 — з). Эксплуатационные свойства контактных уплотнений в первую очередь определяются свойствами материала уплотнителя, поэтому материал входит в название уплотнения, определяет его подгруппу (см. табл. 1.2). Уплотнения каждой группы могут быть выполнены из разных материалов, что приводит к образованию многочисленных подгрупп. Например, манжета УПС резиновая, резинотканевая, резиновая с антифрикционным модифицированием и т. д. Видовое подразделение уплотнений по конкретным конструктивным признакам для колец и манжет отражает прежде всего форму профиля сечения (круглое,

Рис. 1.6. Контактные уплотнения:а — принципиальная схема; б — резиновая армированная манжета; в — комбинированное УПС; г — торцовое УВ; д — эластомерная прокладка; е — эластомерное кольцо; ж — набивочное уплотнение; з — диафрагмовое (мембранное) уплотнение с контактным УН по периметруРис. 1.6. Контактные уплотнения:а — принципиальная схема; б — резиновая армированная манжета; в — комбинированное УПС; г — торцовое УВ; д — эластомерная прокладка; е — эластомерное кольцо; ж — набивочное уплотнение; з — диафрагмовое (мембранное) уплотнение с контактным УН по периметруХ-, U-, П-образное). Эластомерные комбинированные УПС (манжеты 1 с защитным кольцом 5, рис. 1.6, в), работоспособны при высоких давлениях (до 50 МПа) и низких скоростях скольжения в узком диапазоне температур (— 50... + 120 °C). Они обеспечивают высокую Герметичность (Таг 10” 3... . .ЛО-1 см3/м2). Механические УПС (поршневые кольца) работоспособны при высоких давлениях, скоростях и температурах, но не обеспечивают высокой ■герметичности.

Рис. 1.6. Контактные уплотнения:

а — принципиальная схема; б — резиновая армированная манжета; в — комбинированное УПС; г — торцовое УВ; д — эластомерная прокладка; е — эластомерное кольцо; ж — набивочное уплотнение; з — диафрагмовое (мембранное) уплотнение с контактным УН по периметру

Рис. 1.6. Контактные уплотнения:

а — принципиальная схема; б — резиновая армированная манжета; в — комбинированное УПС; г — торцовое УВ; д — эластомерная прокладка; е — эластомерное кольцо; ж — набивочное уплотнение; з — диафрагмовое (мембранное) уплотнение с контактным УН по периметру

В бесконтактных уплотнениях между уплотняемыми поверхностями имеется значительный зазор и герметизация осуществляется жидким, газообразным или композиционным уплотнителем, заполняющим зазор. Обычно уплотнителем является жидкая или газообразная рабочая среда. Бесконтактные уплотнения применяют преимущественно в подвижных соединениях с целью уменьшения давления, потерь на трение и изнашивание основного уплотнения. В неподвижных и малоподвижных соединениях применяют гидрозатворы. Принципиальная схема бесконтактных уплотнений приведена на рис. 1.7, а. Рабочая среда Р стремится проникнуть в окружающую среду А под действием

перепада давлений сред Др. На пути утечки располагается уплотнение со средой Б, в которой создается давление Дру, препятствующее течению среды Р. По герметизирующей способности бесконтактные уплотнения подразделяют на высокогерметичные (гидрозатворы, динамические с насосным эффектом, магнитожидкостные, в которых Ару = Др) и проточные (щелевые, лабиринтные), которым принципиально свойственна негерметичность. В этих уплотнениях с целью уменьшения утечек увеличивают гидравлическое сопротивление приданием соот-

Рис. 1.7. Бесконтактные уплотнения:

а — структурная схема; б — гидрозатвор; в — щелевое; г — лабиринтное; д — импеллерное; е — винтовое

ветствующей формы поверхностям зазора. В гидрозатворах гидростатическое противодавление возникает под действием гравитационных и капиллярных сил или внешнего давления, в динамических уплотнениях противодавление создается по принципу простейших центробежных, винтовых или вихревых насосов. В уплотнениях с композиционными смесями в силовом поле находится жидкость с мелкодисперсными частицами (например, ферромагнитными), создающими для герметизируемой среды непроницаемую структуру. Динамические уплотнения работоспособны только в комплектных УВ и при большой частоте вращения. При остановке вала герметичность совершенно не обеспечивается, поэтому в комплект уплотнения должно входить стояночное уплотнение, автоматически отключающееся при вращении вала. Гидрозатворы применимы только при малых перепадах давлений сред (0,01... ...0,05 МПа).

Диафрагмовые — разделительные уплотнения представляют собою плотную перегородку между герметизируемыми средами, имеют сильно развитую поверхность и форму, обеспечивающую большую деформацию под действием перепада давлений сред (см. рис. 1.5, в и 1.6, з). Характерные эксплуатационные особенности диафрагмовых уплотнений: наименьшие (по сравнению с уплотнениями других типов) утечки, определяемые лишь диффузией сред; малые допускаемые перепады давлений между средами; ограниченные допускаемые перемещения. Свойства диафрагмовых уплотнений сильно зависят от свойств материалов. Для простых металлических диафрагм характерны большая жесткость и малая деформируемость. Большую способность к деформации имеют металлические гофрированные диафрагмы — сильфоны. Резиновые и резинотканевые диафрагмы - мембраны способны обеспечивать большие деформации, но имеют ограниченный температурный диапазон работы и отличаются

большей диффузионной проницаемостью, чем сильфоны. Для работы в агрессивных средах применяют пластмассовые диафрагмы и сильфоны (например, из фторопласта). По периметру диафрагмового уплотнения выполняют бурт, который служит контактным УН при установке в объект. Для обеспечения герметизации объекта в аварийных ситуациях или при стоянке используют камерные (оболочковые) уплотнения с внешним подводом газа или жидкости. В момент действия давления газа такое уплотнение плотно прилегает к уплотняемым поверхностям.

Механические уплотнения [35, 36, 67, 96—105] имеют кольцевой уплотнитель в виде детали или пары трения из металла, углеграфита, керамики, пластмассы и других твердых тел. Контактные поверхности пары должны иметь ничтожное отклонение от заданной формы, чтобы при соприкосновении поверхностей зазор был очень мал. Наиболее точно могут быть обработаны плоские или цилиндрические поверхности, что определяет деление этих уплотнений на две группы: радиальные и торцовые УВ. Название механические уплотнения связано с характером производства этих уплотнений на механических заводах. Радиальные уплотнения для УПС называют поршневыми кольцами, так как большинство их применяют в качестве УПС поршней двигателей и компрессоров. Торцовые УПС применяют чаще всего в гидростатических и гидродинамических опорах поршней насосов и гидромашин (их называют также башмаками). Механические уплотнения могут одновременно выполнять функции опор и уплотнений. Например, радиальные (цапфенные) и торцовые распределители гидромашин. Эксплуатационные характеристики торцовых У В (см. рис. 1.4, 1.6, г) отличаются большим диапазоном допускаемых давлений, скоростей и температур (кривые 7 на рис. 1.4) при удовлетворительной герметичности [ё«ю-2..л мм3/(м • с)] и большой

наработке (десятки тысяч часов). Чтобы уменьшить интенсивность трения и изнашивания созданы торцовые УВ (гидростатические, импульсные и гидродинамические), в конструкции которых за счет некоторого увеличения утечек предусмотрено обеспечение гидродинамической смазки. Радиальные графитированные кольцевые уплотнения применяют при больших осевых перемещениях вала и необходимости смены уплотнения без демонтажа вала. Они представляют собою систему точно обработанных сегментов, нажимных пружин и прочих устройств. Механические уплотнения обычно применяют в качестве последней ступени уплотнительных комплексов.

Эластомерные уплотнения по ВКГ ОКП подразделяют на группы в соответствии с конструктивными признаками и материалом уплотнителя. По конструктивным признакам их подразделяют на прокладки, кольца, манжеты, кольца и манжеты с пружинами, затворы, клапаны, грязесъемники и различные комбинированные уплотнения, включающие несколько уплотнителей. Механизм герметизации этих уплотнений прежде всего связан с высокоэластичными свойствами резины — материала уплотнителя, позволяющими осуществлять плотное контактирование поверхностей при небольшом контактном давлении. Применение этих уплотнений дает возможность герметизации относительно грубо обработанных поверхностей при малых усилиях на детали соединения. Уникальные свойства резины позволяют создавать высокогерметичные, простые, самые дешевые и универсальные уплотнения, совместимые с большинством рабочих и окружающих сред. Простота конструкции вытекает из возможности совмещения в одной детали (уплотнителе) всех функциональных элементов структурной схемы контактного уплотнения. Эластомерные уплотнители изготовляют на заводах резиновой промышленности преимущественно методом вулканизации в пресс- формах. Формовые изделия могут иметь

сложный профиль сечения, обеспечивающий оптимальные эксплуатационные характеристики (герметичность, трение), а массовое производство обусловливает их низкую стоимость. Эксплуатационные характеристики (кривые 1—4 на рис. 1.4) отличаются самой высокой герметичностью [Q ж 10“ 3... ...1 мм3/(м-с)], ограниченной областью скоростей скольжения УПС (при давлении до 50 МПа) или давлений УВ (при скоростях скольжения до 15 м/с), ограниченными ресурсом и температурным диапазоном. Вследствие старения резины срок службы УН в зависимости от температуры составляет 5 — 15 лет.

Пластмассовые уплотнения создают преимущественно из материалов на основе фторопласта-4. Этот материал имеет хорошие характеристики трения, не выдавливается в зазоры при давлении до 50 МПа и имеет уникальную стойкость к воздействию агрессивных сред. Из фторопласта изготовляют защитные кольца УПС и УН. Пластмассовые уплотнения должны иметь специальный силовой элемент-экспандер (браслетную пружину, резиновое кольцо и т. д.).

Большинство резин в процессе вулканизации образуют прочные связи с некоторыми металлами (сталью, латунью и др.). Кроме того, некоторые вулканизованные резины можно приклеивать к металлам. Это свойство резин позволяет создавать резинометаллические уплотнения, в которых преимущества эластомеров сочетаются с прочностью и износостойкостью металлов. Примерами таких уплотнений являются резинометаллические клапаны и вытеснители гидромашин.

Комбинированные уплотнения, состоящие из уплотнителей различных типов и имеющие повышенную надежность, применяют в конструкциях, работающих в тяжелых условиях эксплуатации. В них каждая составляющая уплотнения выполняет определенную функцию. Например, уплотнения поршней и штоков силовых цилиндров для сред с высоким давлением и широким диапазоном темпе-

ратур эксплуатации выполняют в виде комплектов из резиновой манжеты и двух пластмассовых (с антифрикционными компонентами) колец разной твердости. Манжета в основном обеспечивает герметичность, кольца предотвращают ее повреждение и воспринимают нагрузку от давления.

В набивочных уплотнениях (см. рис. 1.6, ж) уплотнителем является специальная вязкоупругая набивка, обычно состоящая из основы, антифрикционных материалов и жидкой пропитки. Созданы материалы без жидкой пропитки в виде комбинации основы с композицией наполнителей. Набивка должна прижиматься к уплотняемым поверхностям контактным давлением рк с помощью силового элемента. Набивочные УПС применяют для герметизации конструкций, работающих под воздействием агрессивных сред и при повышенном трении (например, в аппаратах химических производств). Эксплуатационные характеристики набивочных уплотнений (кривые б на рис. 1.4) отличаются не только высокими давлением, скоростью скольжения и температурой, но и значительными утечками (У = 1,0... 10 см3/м2). Эти уплотнения при эксплуатации необходимо постоянно обслуживать.

Композиционные уплотнители, состоящие из композиции нескольких материалов, позволяют наиболее полно использовать свойства каждого материала. Примерами таких уплотнителей являются резинофторопластовые, резинотканевые, металлополимерные.

Камерные (оболочковые) уплотнения — уплотнения, силовым элементом которых является газ или жидкость, подаваемые в камеру под избыточным давлением при необходимости включения в действие. Применяют главным образом в качестве аварийных уплотнений периодического действия. Ими снабжают, например, уплотнительные агрегаты судовых дейдвудных устройств с целью герметизации корпуса во время ремонта основного уплотнения вала.

В соединениях, требующих высшей

степени герметичности, применяют разделительные уплотнения. Упругие или эластомерные диафрагмы позволяют создавать кулачковые гермопередачи вращательного движения (рис. 1.8), работоспособные при малых перепадах давлений сред (например, в вакуумных установках). Гермопередачи сильфонного вида применяют для УПС и УС. Широкое распространение получили диафрагменные УВ в герметичных электродвигателях. Применяют гермопередачи с магнитной или электромагнитной муфтами (рис. 1.8, в и г), а также гермопередачи, основанные на использовании электростатического поля (рис. 1.8, д).

Использование классификации для информационных систем. Рассмотренная классификация необходима для кодирования при введении в банк данных информационных систем на базе ЭВМ. Банки данных сосредоточены в отраслевых фондах алгоритмов и программ (ОФАП) головных вычислительных центров (ГВЦ). Примерами простых информационных систем являются «Оргтекст», «Искра» (СССР).

Цели автоматизированного информационного обслуживания — поиск материалов из литературных источников, патентов, стандартов, технической документации; учет и планирование производства уплотнений, их наличия на базах снабжения, эксплуатационных издержек. Соответственно в комплексе классификационных признаков первостепенная роль отведена характеру производства уплотнений и сложившейся терминологии.

Зарубежные системы классификации уплотнений [99 — 103]. Наиболее распространенная классификация показана на рис. 1.9 (некоторые английские термины указаны в прил. 1). Исходным признаком является назначение уплотнения — для неподвижных или подвижных соединений. Последние подразделяют на подклассы (УПС, УВ) и группы (контактные УВ, бесконтактные УВ, УН — прокладки и герметики). Группы и подгруппы весьма неравномерны по содер-

| Уплотнения

I Неподвижные (w

| Подвижные j

f

f

Вращательныхсоединении

вращательно-поступательныхсоединений (УЛ^

Контактные

=31

бесконтактные

[л^^^ \Ра8и0ЯЬНЬ,е

-^j щелевые |

*| Набивки |~,

Механические

Манжеты

Герметики

| Набивки

*j Винтовые

Торцовые

Кольцаразрезные

Магнитно- жидкостные

I грязе- L

I съемники р

Кольца поршневые

Рис. 1.9. Зарубежная классификация уплотненийРис. 1.9. Зарубежная классификация уплотнений

Рис. 1.9. Зарубежная классификация уплотнений

Рис. 1.9. Зарубежная классификация уплотнений

|~17лоскиё"~1 ^ссетные^ ^астмассовые

1 Металлические !

L1

li

Резиновые

| ' кольца резиновые }*] ^Манжеты

Кольца комбинированные 3 J резинопластноссобые "

жанию. Группа прокладок охватывает все подгруппы и виды уплотнений УН: плоские металлические, кольцевые металлические кассетные; резиновые кольца, пластмассовые кольца и др. Подгруппа УПС-набивки охватывает все виды эластомерных УПС (кольца, манжеты, комбинированные уплотнения и др.) и собственно сальниковые набивки. Виды УВ по этой классификации практически совпадают с группами, указанными в табл. 1.2. Рассматриваемая система не удобна в качестве основы для кодирования, так как уплотнения одной группы попадают в разные подклассы и некоторые группы не входят в систему (например, уплотнения периодического действия).

Физические свойства жидкостей и уравнения гидродинамики

Молекулярная структура. Основные особенности жидкого агрегатного состояния вещества — способность сохранять объем, существование свободной поверхности и текучесть под действием небольшого давления. Свойства жидкостей определяются природой атомов, входящих в состав молекул, взаимным расположением молекул в пространстве и расстояниями между ними, от которых зависят энергия межмолекулярного взаимодействия и подвижность элементов структуры. В твердых и жидких телах существует внутренний («свободный») объем Vf, равный разности внешнего объема тела V и собственного объема его молекул оо (для одного моля вещества). Отношение k = VojV, называемое коэффициентом упаковки, для низкомолекулярных органических кристаллов составляет 0,68 — 0,80, для аморфных полимеров 0,625 — 0,680, для жидкостей 0,5 [81]. Структуру жидкости можно представить в виде множества определенным образом организованных молекулярных комплексов (роев), совершающих тепловое движение, в которых и между которыми спонтанно возникают

и исчезают микропустоты. Образование и размеры микропустот связаны с определенным уровнем энергии, зависящим от термодинамической температуры Г и давления р, поэтому существуют функциональная связь Vу = F (р, 7) и зависимость от нее деформационных, вязкостных, диффузионных и теплофизических свойств жидкости в области не очень высоких давлений и температур. При очень высоком давлении жидкости ведут себя подобно аморфному твердому телу, а при повышении температуры до критической — подобно сильно сжатому газу.

Молекулярно-кинетическая теория жидкости, разработанная Френкелем, Эй- рингом и Андраде, основана на различии механизмов теплового движения частиц жидкости и газов. Частицы газа движутся прямолинейно в непрерывном пространстве свободного объема, при этом количество движения частицы постоянно. Свободный объем жидкости не является непрерывным. При тепловом движении частицы совершают преимущественно колебания относительно некоторого «оседлого» положения.

Поверхность жидкости, соприкасающаяся с другой средой, находится в особых условиях по сравнению с остальной массой жидкости, так как силы, действующие на молекулы поверхностного слоя, не уравновешены. Молекулы поверхностного слоя имеют избыточную потенциальную (свободную) энергию. Поверхностные явления определяют механизм процессов испарения, конденсации, адсорбции, растворения в жидкости газов и других жидкостей, кипения, кавитации, коррозии.

Рабочие жидкости являются многокомпонентными смесями углеводородов различных классов, поэтому они не имеют четких границ фазовых переходов. Для них характерно существование определенных температурных диапазонов, в которых компоненты находятся в различных фазах, и свойства постепенно изменяются от свойств твердого тела к свойствам жидкости в области

плавления и от свойств жидкости к свойствам пара в области кипения.

Уравнение состояния и объемные деформации. Уравнение состояния, устанавливающее соотношения между параметрами V, р, Т, можно записать в неявной форме V = F(p, Т). Его полный дифференциал

/ 5У\dV=dF№ = — dT^

VUp (1.1)

содержит член (8V/cT)p dT, отражающий тепловое расширение жидкости при р — const и член (8V/8p)ydp, отражающий ее сжимаемость при Т = const. Частные производные в первом приближении считают постоянными коэффициентами в определенных интервалах р и Т. В этом случае относительное изменение объема жидкости АЦ- при изменении температуры на АТ = Т— То определяется средним (интервальным) температурным коэффициентом объемного расширения а, К-1: АУТ = = Ут/У0=аАГ

Относительное изменение (уменьшение) объема жидкости АУР при изменении давления на Ар = р — р0 и Т = const определяется средним интервальным коэффициентом сжимаемости р, Па-1, или интервальным модулем объемного сжатия и, Па, так как Р = 1/и: ЛУР = АУ„/У0 = - р Ар = - Ар/и.

При одновременном изменении давления и температуры изменение объема

АУ = аУ0 АГ - РУО Ар. (1.2)

Плотность р равна отношению массы m к объему V, поэтому при изменении объема от Уо до V при изменении р и Т

ш

Р ~ Уо(1 +аДГ-рАр)" ~ «р0(1-а АГ + р Ар), (1.3)

где ро = ш/Уо —■ начальная плотность.

При повышении температуры жидкости на АГ = А 9 в замкнутом неде-

формируемом объеме (У = const) происходит увеличение давления: Др = = а А9/Р = аиАЭ.

При охлаждении жидкости в данных условиях (АТ < 0) происходит разрежение (р < 0). Средние значения температурного коэффициента объемного расширения а-104 °C"1 жидкостей при нор

мальном давлении и температуре 20 —50 °C приведены ниже.

Масла нефтяные (р = 0,86—0,92 г/см3) 7—10

Полисилоксановая жидкость..8 — 10,8

Водно-глицериновая жидкость..5,4

Водно-гликолевая жидкость ...3,4

Этиловый спирт8,2—9,0

Этиловый эфир уксусной кислоты . 11 —12,5 Фосфорорганическая жидкость . . 6,5 —7,6 Бензин10—12

Ацетон 14

Азотная кислота 1,2

Серная кислота 5,5

Для масел коэффициент а существенно уменьшается с увеличением плотности :

Р2о, г/см3 . . .0,80 0,82 0,84 0,86

а-105, °C'1 . .95908580

р20, г/см3 . . .0,88 0,90 0,92 0,94 1,00

а-105, °C 1 . .75 70 66 6151

Вода отличается аномальной зависимостью а (9) с минимумом а при 4 °C (а= 15-10"5 °C"1 при 15 °C и а = = 70-10"5 °C 1 при 90 °C). Для жидкостей на водной основе а зависит от температуры и концентрации компонентов в смеси. Для газов (в отличие от жидкостей) температурный коэффициент объемного расширения уменьшается с повышением температуры от 90 до 9. Для идеальных газов аг = 336-10” 5 °C"1 при 0 ° С. Для эластомеров (резин) а = (3,5... 5,5) 10 5 °C - *, для твердых металлов а = (0,5... 2,3) 10 5 °C""1.

Изменение частных производных (5У/й9)р = а* и (бУ/др)7 = р, при изменении давления, температуры и плотности определяется характером зависимости деформаций от свободного объема Vf, сил межмолекулярного взаимодействия в структуре жидкости и свободной энергии. С увеличением давления

р и плотности р увеличивается плотность упаковки молекул в структуре и уменьшается объем Vf, а следовательно, и коэффициенты ах и рх. Температура влияет на структуру жидкости и свободную энергию, поэтому при ее повышении уменьшается внутримолекулярное давление и увеличивается объем Vр, следовательно, модуль объемного сжатия и уменьшается, а сжимаемость Рх и коэффициент ах увеличиваются. При очень высоком давлении сжимаемость всех жидкостей почти одинакова [35].

Уравнение (1.1) исследовано только в части члена (8У/6р)Т Большинство исследователей для описания изотермического процесса деформации жидкости при высоком давлении используют эмпирическое уравнение Тейта [85] 6У\ А

-- I =или

др /т В(7) + р

^,=^,=Ур — У А вт + р

^,=

^,=

Ур Уо ВЩ+Рр

(1-4)(1-4)где А — коэффициент, зависящий от природы жидкости; В(Т) — функциональная константа, характеризующая внутримолекулярное давление и убывающая с повышением температуры Г(9).

(1-4)

(1-4)

Для нефтепродуктов в широком диапазоне изменения 9 и р0 зависимость р(9) нелинейная. Линейная зависимость справедлива только для тяжелых нефтепродуктов в области температур ниже температуры вспышки 9В.

На рис. 1.10, а приведена зависимость а (9) для нефтепродуктов различной плотности р. Коэффициент ос и крутизна кривой а (9) являются функциями, прежде всего, фракционного состава и исходной плотности (рис. 1.10,6). В температурном интервале 20—100°C зависимости ос(9) и ос (р) можно считать линейными [35]:

ос = ос0 + ос'тД9; осо = ос0-8 — осрДр.

Здесь ос0 — значение коэффициента ос при 9 = 0...20°C; ос0 8 — значение ос при р = 0,8; Д9 = 9 — 90; Др = р — 0,8; ос'т = = дос/69 (ориентировочно оф = = 1,8-106оС"2 при р = 0,8; ос'г =

Рис. 1.10. Зависимости а от 9 (а) и р (б) для нефтепродуктовРис. 1.10. Зависимости а от 9 (а) и р (б) для нефтепродуктов= 1,3-10"6сС"2 при р = 0,84; ос'г = = 0,5■ КГ6°C-2 при р = 0,88); оср=5ос/5р (ориентировочно оср = 2,25 • 10“ 3 °С~1 при 9 = 0...20QC).

Рис. 1.10. Зависимости а от 9 (а) и р (б) для нефтепродуктов

Рис. 1.10. Зависимости а от 9 (а) и р (б) для нефтепродуктов

При р<0,84 и 9 >100 °C следует учитывать нелинейность кривой ос (9): ос = ос0 + ос'гД9 + /с(Д9)2,

где Д9В = 9 — 9В; к — коэффициент (ориентировочно к = 1,2-10“ 8 °C-3 при р = 0,8; к = 0,6 КГ8°C"3 при р = 0,82; к = 0 при р > 0,84).

При увеличении давления р от 0,1 до 5 МПа коэффициент ос интенсивно уменьшается (рис. 1.11) из-за наличия в масле мелких пузырьков воздуха, плохо растворимых при относительно малом давлении. При р > 5 МПа жидкость становится практически однофазной системой с полностью растворенной газовой фазой.

Модуль объемного сжатия. Деформация жидкости при действии давления имеет релаксационную природу, поэтому

Рис. 1.11. Зависимость температурного коэффициента объемного расширения от давления для масел:

1 — трансформаторного; 2 — АУ

модуль объемного сжатия, а следовательно, и коэффициент сжимаемости являются функциями давления, температуры и частоты (скорости) деформации го: х(р, Т, <в). Этот модуль называют истинным или тангенс-модулем. Запаздывание деформации жидкости при действии давления проявляется, например, в том, что при мгновенном изменении давления на Ар изменение объема на АУ завершается только через время t л ЗТр. При гармоническом изменении одного из параметров (р или И) с частотой и изменение другого происходит с фазовым сдвигом ср (го). Предельными случаями процесса деформации являются:

очень медленные процессы (св -» 0), при которых успевает завершиться теплообмен с окружающей средой и соблюдается условие Т = const; в этом случае модуль хт называют изотермическим;

очень быстрые процессы (<в -> со), характерные, например, для ультразвуковых колебаний, при которых теплообмен не успевает завершиться; в этом случае модуль хл называют адиабатическим.

Экспериментально установлено, что изотермический и адиабатический модули объемного сжатия различных масел и составляющих их групп углеводородов линейно возрастают с увеличением давления:

хт= хто + т-#; хд = хдо+тАр.

Здесь хто и хдо — начальные значения модулей хт и хА при р = 0,1 МПа для жидкостей без газовой фазы (для изотер

мического процесса хт0 = В(Т)/А; для адиабатического процесса хдо=Вд(Т)/Ад; причем всегда хд0>хт0У, mT=V0/A и тА = Vo(Aa — угловые коэффициенты прямых хл(р) и хт(р).

Химический состав масла существенно влияет на его упругие свойства. Установлено [35], что модуль объемного сжатия для смеси углеводородов можно определить в соответствии с правилом смешения по формулам

хл = Ехл^; хт=УхТ1хь

где xAi и xTi — значения модулей хд и хт для углеводородов i-й группы; х, — относительное содержание углеводородов i-й группы в масле.

В табл. 1.3 приведены значения хло, хто, тд^ тт некоторых масел и жидкостей [35, 52]. Из нефтяных масел наименьшие модули хд и хт имеют масла парафино-нафтенового класса (кривые 1 и 2 на рис. 1.12). Наименьший модуль из всех рабочих жидкостей имеют полисилоксановые жидкости (кривая 3 на рис. 1.13, а). Так, при 20 °C для этих жидкостей хло = 91О МПа; хт0 = = 803 МПа. Угловой коэффициент тт мало зависит от состава масла и при 9 = 20... 50 °C находится в пределах 11,5 — 12,8 (для полисилоксановой жидкости тт = 8,1). Угловой коэффициент тА меняется в более широких пределах (от 11,5 до 15,8 при 20 °C). Отношение модулей хА/хт всегда находится в пределах 1,12—1,19 и близко к отношению удельных теплоемкостей k = cpjc„. Установлена линейная зависимость к от температуры 9 [83]: к = к0 — к' А9. Например, для масла типа MIL-H-5606A к0 = 1,26 при 20 °C, к' = 8 ■ 10" 4 °C"1 (к = 1,17 при 120 °C).

При повышении температуры начальные модули Хдо, хт0 уменьшаются (рис. 1.14). В узком интервале изменения температур (от 20 до 100 °C) приемлемы линейные зависимости хт0 = х°т0—<ртАЭ; хло = х°0 — флА9(для исследованных масел фл = 7,8...9,5 и срт = 7...9 МПа/°С). В области отрицательных температур

Таблица 1.3

Начальные значения модулей объемного сжатия х ло, х то рабочих жидкостей (прн температуре

20 °C) и коэ<

>фицненты тА, ту

Рабочая жидкость

Р2О’ г/см3

ило.

МПа

™л

и 70, МПа

ту

и/о И 70

Состав масла

АМГ-10 ВМГЗ

0,835 0,844

1680

1740

12,8

11,5

1500

1460

12,7

11,5

1,12

1,19

Парафино-нафтено- вая загущенная основа + присадки (см. подразд. 2.5)

ИС-50

И-20А

И-30А

0,875

1800

1880

1880

13,0

15,7

12,1

1590

12,7

1,18

По ГОСТ 20799-75

АУ

0,910

1930

14,1

1716

11,0

1,12

По ГОСТ 1642 - 75

тк тп-зо

0,898

0,900

1878

2000

Н,0 13,8

1690

11,0

1,12

По ГОСТ 982-80

По ГОСТ 9972-74

Рис. 1.12. Зависимости от давления адиабатического (а) и изотермического (б) модулей объемного сжатия рабочих жидкостей гидросистем:

1 — АМГ-10; 2-ВМГЗ; 3- ИС-50; 4 И-30;5-АУ;6- 7„-30; 7 — трансформаторного масла

Рис. 1.13. Зависимости от давления (а) и температуры (б) модулей объемного сжатия жидкостей:/, Г — загущенного нефтяного масла; 2 — сложного эфира; 3 — полисилоксановой жидкости;4 — воды; 5 — фенилового эфираРис. 1.13. Зависимости от давления (а) и температуры (б) модулей объемного сжатия жидкостей:/, Г — загущенного нефтяного масла; 2 — сложного эфира; 3 — полисилоксановой жидкости;4 — воды; 5 — фенилового эфира

Рис. 1.13. Зависимости от давления (а) и температуры (б) модулей объемного сжатия жидкостей:

/, Г — загущенного нефтяного масла; 2 — сложного эфира; 3 — полисилоксановой жидкости;

4 — воды; 5 — фенилового эфира

Рис. 1.13. Зависимости от давления (а) и температуры (б) модулей объемного сжатия жидкостей:

/, Г — загущенного нефтяного масла; 2 — сложного эфира; 3 — полисилоксановой жидкости;

4 — воды; 5 — фенилового эфира

зависимость х(9) не исследована. При повышении давления угол наклона кривых Хл(9) уменьшается (см. рис. 1.13,6). Угловые коэффициенты тД и тТ прямых хл (р) и хг(р) уменьшаются с повышением температуры (например, для масел типа MIL-H-5606A и АМГ-10 при 9 = 40; 90; 150 и 200 °C соответственно тд = 15,3; 15; 13,8 и 12). Таким образом, тд и тТ являются функциональными коэффициентами, которые для температуры до 100 °C можно считать линейными. С поправкой на влияние температуры А9 уравнения для модулей объемной упругости принимают следующий вид [35]: ил = х°ло - Фл А9 + тАр;

Ху^ — % ТО фт^^ 4“ ITljp.

Рис. 1.14. Зависимости модулей объемного сжатия хл (а) и хт (6) от температуры для различных жидкостей: 1 - АМГ-10; 2 - ВМГЗ; 3 - АУ; 4- ИС-20; 5 - трансформаторного масла; 6 - MIL-H-5606A

Из уравнения (1.4) можно определить как истинный х7, так и интервальный хг изотермические модули. Вследствие линейной зависимости хг(р) при определении хт в уравнение (1.5) подставляют давление р/2. Функциональный коэффициент В(Г) в уравнении Тейта (1.4) для масел типа MIL-H-5606A и АМГ-10 при 9 = 40; 90; 150 и 200°С равен соответственно 120; 70; 52 и 41 МПа; для масла АУ при 9 = 20 °C В (7) = = 160 МПа; для масла И-30 при 9 = 20°C В (7) = 157 МПа. '

Влияние газовой фазы. В ряде случаев отмечено отклонение от линейных зависимостей хл (р) и хт(р) при давлении р < 5 МПа. Причиной этого является наличие в жидкости мелких пузырьков воздуха. Такая жидкость является двухфазной системой с повышенной сжимаемостью, расчет которой основан на следующих экспериментально подтвержденных положениях: растворенные в жидкости газы практически не влияют на упругие свойства, по крайней мере до давления 60 МПа; упругость двухфазной системы определяется сжимаемостью жидкой и газовой фаз; объемное содержание газовой фазы Гг = = Vr/V0 в процессе деформации жидкости меняется вследствие растворения пузырьков воздуха. В реальных гидросистемах при р = 0,1 МПа значение Г10 может меняться в широких пределах (от 0,005 до 0,080), чаще Гг0 = = 0,015...0,025 [52]. При повышении давления пузырьки воздуха растворяются обычно в течение нескольких секунд,

поэтому имеет смысл рассматривать лишь адиабатический процесс деформации и зависимость модуля смеси хЛс = F (р, Г|0) для малых Г|0. При Го < 0,025, так как Гг0 « Г,« Гж, хл0 + тр

где п — показатель политропы (и = 1,4 при р < 3 МПа; и = 1,5 при р = 10 МПа).

Вязкость жидкости (внутреннее трение) — важнейшее свойство, проявляющееся при относительном движении ее частиц. Различают объемную pv и сдвиговую (тангенциальную) ц вязкости. Объемная вязкость проявляется при сжатии жидкости, вызывая сдвиг фаз между объемной деформацией и давлением, рассеяние энергии при упругих колебаниях; она изучена недостаточно и обычно при технических расчетах не учитывается. Сдвиговая вязкость р (в дальнейшем просто вязкость) обусловлена силами внутреннего трения между взаимно перемещающимися частицами жидкости. Возникающие при этом касательные напряжения т, Па, определяются законом Ньютона — Петрова:

т = pdv/dh,(1.6)

где dr/dh — градиент скорости по нормали к поверхности слоя, с-1; р — коэффициент пропорциональности, называемый динамической вязкостью (сокращенно вязкостью), Па • с. Например, при 20 °C для воды р = 1,01 мПа-с, для глицерина р = 850 мПа ■ с.

Жидкости, вязкость которых постоянна при всех градиентах скорости dv/dh [см. уравнение (1.6)], называют ньютоновскими. К ним относятся вода, керосин, базовые масла, большая часть синтетических жидкостей, загущенные минеральные и синтетические жидкости, пластичные (консистентные) смазочные материалы, некоторые минеральные масла, вязкость которых при низких температурах зависит от dv/dh, называют неньютоновскими или аномально вязкими. В индексе обозначения вязкости принято указывать температуру, при которой она определена (например, р50 при температуре 50 °C). Это относится и к кинематической вязкости. В практике измерений вязкости и при теоретических расчетах широко используют кинематическую вязкость, равную отношению динамической вязкости к плотности: у = р/р. Единицей кинематической вязкости в СИ является м2/с.

Механизмы внутреннего трения в жидкостях и газах принципиально различны. Вязкость жидкостей при повышении температуры уменьшается, причем для углеводородных жидкостей значительно (у газов наоборот). При больших напряжениях, характерных преимущественно для высоковязких жидкостей со сложным строением и дисперсных систем, линейное приближение [см. уравнение (1.6)] нарушается и вязкость уменьшается с увеличением напряжения или деформации сдвига. При очень малом времени воздействия на жидкость она ведет

себя подобно упруговязкому твердому телу.

В активационной теории Френкеля — Андраде — Эйринга вязкость определена как функция параметров молекулярной структуры, объединенных общей константой А и соотношением свободной энергии активации Uu вязкого течения с общей тепловой энергией RT. Вязкости некоторых жидкостей приведены в табл. 1.4.

Вязкость газов (см. табл. 1.4) в отличие от вязкости жидкостей увеличивается с повышением температуры в соответствии с уравнением

В = Во (/т/То =

= Ио [/(273 + 9)/(273 + 90),

где Но — начальная вязкость при 90.

При сверхвысоком давлении вязкостные свойства газов и жидкостей аналогичны.

Уравнение вязкости. Для расчетов динамических процессов в элементах уплотнений в широком диапазоне температур 9 и давлений р мало пригодны эмпирические формулы вязкостнотемпературной связи, полученные для конкретных жидкостей и ограниченные узким диапазоном изменения температуры. Например, формула v = vo(50/9y (где и = 1,72 при v50 = 10 мм2/с; и = 1,79 при v50 = 12 мм2/с; и = 1,99 при v50 = 20 мм2/с; п = 2,13 при v50 = 28 мм2/с) справедлива в интервале температур 30—100 °C.

Таблица 1.4

Динамическая вязкость при 20 °C газов (при давлении 100 кПа) я жидкостей

Газ

р, мПа-с

Жидкость

ц, мПа с

Водород

0,0088

Ацетон

0,322

Гелий

0,0196

Бензол

0,648

Азот

0,0175

Вода

1,002

Кислород

0,0202

Этиловый спирт

1,200

Воздух

0,0182

Глицерин

1480

Углекислый газ

0,0147

Масла

30-5000

Аммиак

0,0099

Ртуть

1,554

Зависимости ц(Т), р(Э) и ц(р) можно получить на основе теоретического уравнения, преобразованного к виду, позволяющему определить зависимость ц(Э, р) по экспериментальным данным. Одну из точек (ц0, ^о) кривой ц = F(9) следует выбрать в качестве базовой для аппроксимирующего уравнения р = = p0F(9, р) в виде

р/р0 = е^е"’*8,

где а — пьезокоэффициент вязкости, Па-1; s — термокоэффициент вязкости, °C-1.

В аппроксимирующем уравнении v = F(p, Э) вида

v = уде^Ре-^^/*273 + ®Я"(1-7)

коэффициенты s и и определяются химическим составом жидкости, типом и содержанием присадки (как правило, чем больше р и М жидкости, тем больше коэффициенты s и и).

Значения s и и для масел различных вязкостно-температурных групп (см. табл. 2.3) при 9 = 50 °C:

Группа..1.11.2А1.2Б1.21.3

5 888109,8

п . ...1,151,251,51,531,58

При переходе от кинематической вязкости v к динамической р необходимо учитывать зависимость плотности от температуры и давления p = vp0(l — — а ЛЭ + Р Др).

Пьезокоэффициент вязкости а. При постоянной температуре (ДТ = 0) уравнение (1.7) принимает вид уравнения Баруса р = роеор. Для большинства углеводородов при р < 60 МПа характерна линейная зависимость In р/р0 = ар, где

а — постоянный пьезокоэффициент. При дальнейшем повышении давления пьезокоэффициент постепенно уменьшается, поэтому кривая зависимости р(р) слабо выпуклая.

Пьезокоэффициент вязкости а уменьшается при повышении температуры от 90 до Э: при начальном пьезокоэффициенте а0 а = а0Т/Т0. На рис. 1.15 приведены температурные зависимости для масел АУ, МС-14 и П-28.

Пьезокоэффициент вязкости для синтетических жидкостей типа диэфиров и силоксанов несколько меньше, чем для нефтяных масел, для фосфатов примерно такой же, как для нефтяных масел, и для глицерина существенно меньше. Вязкость воды практически не зависит от давления, поэтому водно- глицериновые смеси типа ПГВ при положительной температуре отличаются малым пьезокоэффициентом а. Сведений о пьезокоэффициенте вязкости в области низких температур нет.

Поверхностное натяжение. Граничный слой между жидкой и газовой фазами можно рассматривать как третью фазу со свойствами, промежуточными между свойствами жидкости и газа. В этом слое, эффективная толщина которого всего несколько молекул, возникают весьма большие градиенты плотности и молекулярной энергии.

1 - АУ; 2 - МС-14; 3 - П-281 - АУ; 2 - МС-14; 3 - П-28Рис. 1.15. Зависимости пьезокоэффициента вязкости от температуры (а) и ее обратной величины (б) для масел:Рис. 1.15. Зависимости пьезокоэффициента вязкости от температуры (а) и ее обратной величины (б) для масел:Основной величиной, характеризующей свойства поверхности жидкости, является поверхностное натяжение ст, которое определяется отношением свободной энергии граничного слоя к площади его поверхности. Единица поверхностного натяжения (в СИ Дж/м2 или Н/м) соответствует отношению контур-

1 - АУ; 2 - МС-14; 3 - П-28

1 - АУ; 2 - МС-14; 3 - П-28

Рис. 1.15. Зависимости пьезокоэффициента вязкости от температуры (а) и ее обратной величины (б) для масел:

Рис. 1.15. Зависимости пьезокоэффициента вязкости от температуры (а) и ее обратной величины (б) для масел:

Рис. 1.16. Температурные зависимости поверхностного натяжения:а — общий вид; б — для топлив (1 — Т-5; 2 — Т-1; 3 — бензина Б70); в — для углеводородов (4 — метана; 5 — этана; б — пропана; 7 — изобутана; 8 — п-бутана; 9 — fc-пентана; 10 — и-гексана; 11 — и-гептана; 12 — и-октана; 13 — 17 — фракций нефти с молекулярной массой 140; 160; 180; 200 и 240 соответственно)Рис. 1.16. Температурные зависимости поверхностного натяжения:а — общий вид; б — для топлив (1 — Т-5; 2 — Т-1; 3 — бензина Б70); в — для углеводородов (4 — метана; 5 — этана; б — пропана; 7 — изобутана; 8 — п-бутана; 9 — fc-пентана; 10 — и-гексана; 11 — и-гептана; 12 — и-октана; 13 — 17 — фракций нефти с молекулярной массой 140; 160; 180; 200 и 240 соответственно)ной силы Ро = 1 Н к длине контура поверхности жидкости Z = 1 м.

Рис. 1.16. Температурные зависимости поверхностного натяжения:

а — общий вид; б — для топлив (1 — Т-5; 2 — Т-1; 3 — бензина Б70); в — для углеводородов (4 — метана; 5 — этана; б — пропана; 7 — изобутана; 8 — п-бутана; 9 — fc-пентана; 10 — и-гексана; 11 — и-гептана; 12 — и-октана; 13 — 17 — фракций нефти с молекулярной массой 140; 160; 180; 200 и 240 соответственно)

Рис. 1.16. Температурные зависимости поверхностного натяжения:

а — общий вид; б — для топлив (1 — Т-5; 2 — Т-1; 3 — бензина Б70); в — для углеводородов (4 — метана; 5 — этана; б — пропана; 7 — изобутана; 8 — п-бутана; 9 — fc-пентана; 10 — и-гексана; 11 — и-гептана; 12 — и-октана; 13 — 17 — фракций нефти с молекулярной массой 140; 160; 180; 200 и 240 соответственно)

Поверхностное натяжение для большей части органических веществ при нормальной температуре составляет 20— 40 мН/м, для воды 72 — 75 мН/м, для жидких металлов 300 — 600 мН/м. Если значение поверхностного натяжения приведено без указания соприкасающейся с жидкостью среды, следует считать, что она соприкасается с собственным паром или газом под малым давлением. Когда жидкость контактирует с другой жидкостью, газом под высоким давлением или твердым телом, свободная энергия граничного слоя уменьшается. В системе двух несмешивающих- ся жидкостей межфазное натяжение at существует на каждой границе раздела. Оно аналогично поверхностному натяжению между жидкостью и паром, и его оценивают по правилу Антонова с, = I Hi — о2 I, гДе °i, °2 ~ поверхностные натяжения жидкостей, измеряемые относительно общего газа.

При повышении температуры 9 поверхностное натяжение уменьшается в соответствии с линейным эмпирическим уравнением а = Ко [9кр — — (9 + 6)] Е2'3, где К„ — коэффициент; 9кр — критическая температура, при которой о = 0 (рис. 1.16,а); V — молярный объем, м3/моль.

Это уравнение справедливо для нефтяных углеводородов при 9 «к 9кр, так как при 9 < 9кр эти вещества начинают разлагаться. Преобразовав приведенное уравнение, получим линейную зависимость о (9), по которой можно определить поверхностное натяжение, зная его значение о0 при температуре 90:

о = о0 - о'(9 - 90), (1.8)

где о' = da/dS, Н/(м • °C).

Уравнение (1.8) удовлетворительно описывает температурную зависимость поверхностного натяжения для нефтепродуктов и углеводородов (рис. 1.16,6 и в), причем с увеличением молекулярной массы М фракций нефти значение о0 увеличивается, а угол наклона прямых, определяемый с', уменьшается. Для нефтепродуктов с М = 250... 140 о' = 0,06... 0,08 мН/(м • °C). Поверхностное натяжение зависит также от химического состава углеводородов. Наибольшее значение о (28,5 — 32,5 мН/м) имеют ароматические углеводороды, наименьшее (25—28 мН/м) — парафиновые; промежуточные значения (29 — 32 мН/м) характерны для нафтеновых углеводородов.

Применение поверхностно-активных веществ (ПАВ) — спиртов, фенолов, нафтеновых и других органических кислот,

Рис. 1.17. Зависимость межфазного натяжения с, от концентрации ПАВ для системы электролит (5 %-ный водный раствор NaCl) — масло:

1 АКОР-1; 2-МНИ-5

смол, асфальтенов — приводит к уменьшению с. При увеличении содержания ПАВ в масле поверхностное натяжение сначала резко уменьшается, затем стабилизируется, что свидетельствует о полном насыщении поверхностного слоя молекулами ПАВ (рис. 1.17). Наиболее низкое значение о из всех рабочих жидкостей имеет метилсилоксановая жидкость (табл. 1.5). Поверхностное Натяжение уменьшается при увеличении давления р газа, контактирующего с жидкостью. Для ряда жидкостей и газов экспериментальные значения ст связаны с р линейным уравнением о = о0 (1 — <5"р\ где о" — коэффициент, зависящий от температуры и прирбды газа, используемого для создания давления. Механизм влияния ПАВ на поверхностное натяжение можно объяснить изменением структуры граничного слоя жидкости, контактирующей с газом высокого давления, вследствие увеличения растворимости газа.

Капиллярное давление в зазоре. В результате капиллярных явлений в зазорах 8 уплотнений возникает капиллярное давление

Ро = 2ст/6. (1.9)

Давление насыщенного пара. Испаряемость. Испарение происходит при любой температуре, интенсифицируясь по мере ее повышения, однако до температуры вспышки 9В нефтепродуктов объем испа-

Таблица 1.5

Поверхвостпое ватяженве ст некоторых рабочих жидкостей при температуре 20 °C

Соприкасающиеся среды

СУ, мН/м

Жидкость

Среда

Метилсилоксан о-

вая

Масла:

19-20

АМГ-10

26,7

вмгз

27,6

АУ

29,8

АУП

Воздух

29,4

И-30

31.6

Фосфатная типа Скайдрол

30,8

Водно-глицерино- вая ПГВ

42,5

Ацетон

23,3

Бензол

28,9

Этиловый спирт

22,3

Глицерин

65,7

Ртуть

465,0

Электролит (5 %-ный водный раствор НС1) ‘

33

Масло АУ

То же, с 5 % присадки АКОР-1

25

То же, с 5 % присадки МНИ-5

11

рившейся жидкости невелик. При достижении 9В концентрация паров жидкости в воздухе над ее поверхностью становится достаточной для образования воспламеняющейся смеси. Интенсивное испарение начинается при температуре свыше 9В вследствие выкипания компонентов масла. Если испарение происходит в свободном пространстве, почти все молекулы, перешедшие при испарении в паровую фазу, удаляются от поверхности жидкости и обратно не возвращаются. Если жидкость находится в замкнутом пространстве, после достижения в нем определенной концентрации паров устанавливается равновесие между процессами испарения и конденсации, и давление пара становится по-

Таблица 1.6

Давление насыщенного пара pj нефтяных масел

Вязкостная группа масла

V50’ мм2/с

М

Рц, гПа, при температуре, °C

60

100

120

Маловязкое

4

200

1,0

6,5

17,0

Средневязкое

10

210

0,6

4,5

10,5

всесезонное

Средневязкое

13

285

0,2

0,8

1,4

Вязкое

23

360

—

0,1

0,2

стоянным. Это давление называют давле

нием насыщенного пара.

Уравнение давления насыщенного пара Pi при температуре Т

/ Т\Pi = Рю exp V»// Т\Pi = Рю exp V»/' L Т-ТЛ RT0 Т / ' (1.10)

/ Т\

Pi = Рю exp V»/

/ Т\

Pi = Рю exp V»/

где для бензина L = 300... 315 Дж/г; для лигроина 270...285;

для керосина 230...250; для масла 170...200; для воды 2360 Дж/г.

Для масел значения р, указаны в табл. 1.6.

В системе координат р, — 9 зависимость pi от температуры близка к экспоненциальной кривой, так как величины Т/То, L, 1/Т меняются в диапазоне рабочих температур относительно мало. В системе координат 1g р; — 9 указанная зависимость является прямой линией, что удобно использовать для экстропаляции.

Уравнения гидродинамики вязкой жидкости. В большинстве случаев процессы в тонкой пленке зазора уплотнения можно рассматривать в режиме ламинарного движения вязкой несжимаемой жидкости. Мысленно выделив в объеме жидкости некоторый элемент со сторонами 8х, 8у, 8z (рис. 1.18), заменим действие на него остальной части жидкости реакциями связи — давлением р и касательным напряжением т. Кроме того, на рассматриваемый элемент могут действовать гравитационная, центробежная и другие массовые силы, равнодействующая которых J, отнесенная к

Рис. 1.18. Элемент в объеме жидкости (показана лишь часть действующих на него сил)Рис. 1.18. Элемент в объеме жидкости (показана лишь часть действующих на него сил)массе 8М = p8x8y8z, имеет размерность ускорения и обратное ему направление. Уравнение движения выделенного объема жидкости является математическим

Рис. 1.18. Элемент в объеме жидкости (показана лишь часть действующих на него сил)

Рис. 1.18. Элемент в объеме жидкости (показана лишь часть действующих на него сил)

выражением равновесия всех сил, приложенных к элементу жидкости. При условии непрерывности переменных оно может быть выражено или в векторной форме, или системой трех уравнений в проекциях на координатные оси. Их называют уравнениями Навье — Стокса. Систему дополняют уравнением сплошности (неразрывности), которое выражает закон сохранения массы, и уравнением, устанавливающим зависимость между плотностью р вязкостью р, давлением р и температурой 9 из энергетических предпосылок:

1 др р /d2vx 52р

p дх p, 82oxx dz2 ,p дх p, 82oxx dz2 ,дх2 dy2dux

p дх p

, 82oxx dz2 ,

p дх p

, 82oxx dz2 ,

dt ’

1 др р /д2 р ду р \дх1 др р /д2 р ду р \дхгугу52vy ду252vy ду2d2vydz2d2vydz2duy , dt ’duy , dt ’(1.12)(1.12)dp p fd2vz d2oz

1 др р /д2 р ду р \дх

1 др р /д2 р ду р \дх

гу

гу

52vy ду2

52vy ду2

d2vydz2

d2vydz2

duy , dt ’

duy , dt ’

(1.12)

(1.12)

p dz + p \5x2 + dy2 +52vz \ dt>z

+ V) = -dT’

dvx dvv dv,dxdy dz

(1.11)(1.11)(1.13)(1.13)(1.14)(1.14)P = f(p. P, 9),

(1.11)

(1.11)

(1.13)

(1.13)

(1.14)

(1.14)

Рис. 1.19. Плоскопараллельная щель (а) и распределение скоростей по высоте зазора (б—г)

где jx, jy, jz — составляющие ускорения массовой силы; tx, ty, пг — составляющие скорости в направлении координатных осей х, у, z.

Общего метода решения системы этих нелинейных дифференциальных уравнений нет.

Некоторые решения уравнений гидродинамики. Для одномерного течения по зазору 5 между двумя параллельными плоскостями (рис. 1.19, а)

Sp Sp n n

= 0; Dy = rz = 0;

cy 6z '

6p _ Pl- p2

8x I '

Пренебрегая массовыми силами, преобразуем систему уравнений (1.11)— (1.15):

d2t)x _ 1 dp _ 1 Арdy2 ц dx pl

(1.16)

Интегрирование уравнения (1.16) для течения жидкости под действием перепада давлений Др (эпюры 2 на рис. 1.19, в, г) и движения одной из стенок со скоростью г0 (эпюры 1 на рис. 1.19,6 —г) при граничных условиях у = §/2, гх = 0; у =—5/2, пх = По дает следующее распределение скорости по зазору (суммарные эпюры 3 на рис. 1.19, в, г):

где В, I — ширина и длина щели, м; 5 — высота щели, м; Др — перепад давлений, Па; ц — вязкость, Па-с; г0 — скорость, м/с.

Первый член уравнения (1.18) называют расходом напорного потока, второй — фрикционного потока.

Сила Рр, Н, и касательной напряжение т, Па, вязкого трения в зазоре соответственно:

Рц = В1роо/6; т = |лг0/5. (119)

Аналогично определяют расход, м3/с, через цилиндрическую трубку диаметром d, м, длиной I, м, под действием перепада давлений Др, Па (формула Пуазейля):

Kd4 Ар

ТЖ^Г'

Для кольцевых щелей с малым (по сравнению с диаметром В) зазором 5 (рис. 1.20) можно использовать уравнение (1.18), в котором В = kD. Если эта щель имеет эксцентричную форму, зазор 5 зависит от смещения осей с. При г0 = 0 расход

1 Др

Гх —2ц I

5Y 2 — I — V

2 У

г0 (5/2-у)

5'

(1-17)

Расход жидкости через зазор, м3/с:

В Др з г0В5

g = 1FV6

Рис. 1.20. Кольцевая эксцентричная щель

(1.18)

л АР61nR]/R2л АР61nR]/R2Зрсо220 ДрЗрсо220 Др(1.22)(1.22)

л АР

61nR]/R2

л АР

61nR]/R2

Зрсо2

20 Др

Зрсо2

20 Др

(1.22)

(1.22)

<КТМ‘Н’5(ТП 1^о)

12/ p LХ®/ _

Торцовый зазор между двумя круглыми кольцами. Для расчета скоростей и давлений в кольцевом торцовом зазоре при стационарном изотермическом ламинарном течении жидкости уравнения Навье — Стокса записывают в цилиндрических координатах. Одно кольцо может вращаться относительно другого с угловой скоростью со, полости между кольцами находятся под действием перепада давлений Др = р2 — рь

Составляющую скорости в направлении радиуса обозначают гг, по окружности гф, вдоль оси г2 = 0 (рис. 1.21,а). Полагают гг = /(R, со); уг = 0; r9=corz/6 и 8р(6ц> = dp/Sz = 0.

Расход через такой зазор определяют с помощью уравнения Q = 2лг§иср, где

1 6

Гер =f г, dz. Тогда

° о

е-^ т^^5’- о-21' 6ц dr 20ц

Определив из уравнения (1.21) dp/dr и проинтегрировав его по г с учетом граничных условий для давления и расхода (г = Яь р = рь Q = Q, = Q2; г = R2, р = Рг)-, получают расход из кольца

Рис. 1.21. Торцовая кольцевая щель:

а — схема; б — эпюры давления р и скорости в зазоре при течении к центру кольца; в — то же, при течении из кольца

Второй член в скобках этого уравнения учитывает влияние центробежных сил в пленке жидкости.

Распределение давления в торцовом зазоре. Рассмотрим неподвижное уплотнение без учета изменения вязкости в зазоре (со = const, р = const).

При течении жидкости внутрь кольца (p2>pi; Др = р2 — pi) и Q = Qt=Q2 давление вдоль радиуса распределяется согласно зависимости

P^Pi+Ap.^^.(1.23)

1П К2/К1

Кривая распределения давления имеет при этом выпуклую форму (рис. 1.21,6). При pt > р2 жидкость вытекает из кольца и давление в зазоре распределяется согласно зависимости

,, 1пК2/г ..

r-r. + M’.-P.lj;^. 0.24,

Кривая распределения давления при этом имеет вогнутую форму (рис. 1.21, в). Для инженерных расчетов узких колец U/Rx < 0,05) можно использовать линейную зависимость распределения давления в зазорах

р = pi + /\pxjl; р = р2 — Л.рх/1,

(1.25)

где х — расстояние от кромки кольца.

Основное уравнение гидродинамической теории смазки. В тонком смазочном слое между двумя наклонными поверхностями, одна из которых длиной I и шириной В (достаточно большой, чтобы пренебречь влиянием боковых утечек) движется относительно другой со скоростью г (рис. 1.22). Вдоль всей длины I поверхности скорость жидкости на границах зазора сх = с и vx = 0, давление по толщине слоя не изменяется, а в направлении координаты х 6р(6х ^ const. Из уравнения (1.16) при р = const и

Рис. 1.22. Эпюры скоростей v и давления р в клиновом зазоре

vz=0 получим выражения для определения скорости и расхода при В = 1:

у 1 8р

"--С6”2ц&И^У1;

.51 ф S3 <L26)

ГХЯУ = V — — — -.

12 сх р

Расход через любое сечение пленки одинаков [уравнение неразрывности (1.14)]. Давление вдоль масляного клина распределяется неравномерно: вначале оно увеличивается от р^ до ргою затем уменьшается до р2. При Ртах 8р(6х = 0 зазор 5 = 50, скорость в зазоре изменяется по линейному закону от 0 до г и расход Q = ибо/2. Подставив это значение расхода в уравнение (1.26), получим уравнение Рейнольдса

др/ёх = 6щ (6 — 5О)/63,(1-27)

которое является исходным при решении ряда задач гидродинамической теории смазки и уплотнительной техники.

Основы теории герметичности

Наиболее важной характеристикой уплотнений является их герметизирующая способность. Требования к герметичности соединений определяют выбор типа уплотнения и влияют на конструктивную схему всего агрегата. Теория

герметичности изучает и обобщает возможности уплотнений различных классов. Значительные успехи уплотнительной техники позволили качественно объяснить механизм герметизации уплотнениями различных типов и создать научную основу их проектирования. Несмотря на этох, для количественной оценки параметров уплотнений основным источником информации являются экспериментальные данные, анализ которых может быть плодотворным только на основе определенной теории.

Режим течения определяют сравнением числа Рейнольдса Re = 4vRr/v с его критическим значением ReKp (v — средняя скорость потока, м/с; Rr — гидравлический радиус канала, м; v = р/р — кинематическая вязкость жидкости, м2/с). Для круглых капилляров диаметром d Rr = nt/2/(4nd) = dj^ и Re = vd/v. Для щелей с малой высотой h и большой шириной В Rr ~ h/2 и число Рейнольдса Re = 2vh/\.

Число Рейнольдса выражает отношение сил инерции к силам трения, действующим на элемент жидкости. При Re < ReKp происходит ламинарное течение, при Re > ReKp — турбулентное; последнее при Re » ReKp соответствует области автомодельности (режим квадратичного сопротивления). Критические значения чисел ReKp в жидкостных щелевых уплотнениях указаны в табл. 1.7.

Механизм утечки через щелевые уплотнения определяется закономерностями течения вязкой жидкости или газа через макрозазоры. Характерные размеры высоты макрозазоров А определяются допусками на изготовление уплотнений и находятся в пределах 10... 100 мкм. Для вязких жидкостей (v > 2 мм2/с) при указанных значениях h число Рейнольдса Re < ReKp, т. е. режим течения ламинарный. В неподвижных щелевых уплотнениях в соответствии с уравнением (1.18) расход Q, м3/с, пропорционален периметру уплотнения В, h3, и перепаду давлений Др. Сравнение уплотнений удобно выполнять по удельным утечкам Q, м3/(м с), за единицу

щель01234567Плоская и кольцевая концентричная (Ео = 0)12501200115011001000900800700Кольцевая эксцентричная ($0 = 1)11001000950850800750700700щель01234567Плоская и кольцевая концентричная (Ео = 0)12501200115011001000900800700Кольцевая эксцентричная ($0 = 1)11001000950850800750700700Таблица 1.7Таблица 1.7Значения ReKp для щелевых уплотнений [57]Значения ReKp для щелевых уплотнений [57]Rexp при числе канавокRexp при числе канавоквремени, отнесенным к единице перимет-времени, отнесенным к единице перимет-ра при прочих равных (Ар, р, /). Расчетная формула

щель

0

1

2

3

4

5

6

7

Плоская и кольцевая концентричная (Ео = 0)

1250

1200

1150

1100

1000

900

800

700

Кольцевая эксцентричная ($0 = 1)

1100

1000

950

850

800

750

700

700

щель

0

1

2

3

4

5

6

7

Плоская и кольцевая концентричная (Ео = 0)

1250

1200

1150

1100

1000

900

800

700

Кольцевая эксцентричная ($0 = 1)

1100

1000

950

850

800

750

700

700

Таблица 1.7

Таблица 1.7

Значения ReKp для щелевых уплотнений [57]

Значения ReKp для щелевых уплотнений [57]

Rexp при числе канавок

Rexp при числе канавок

времени, отнесенным к единице перимет-

времени, отнесенным к единице перимет-

Q = УАр^Дц!),

условияхусловияхгде Т = 0,1... 0,2 — безразмерный фициент формы.

условиях

условиях

Для маловязких жидкостей и

(1.28)коэф-(1.28)коэф-газовгазовпри малых скоростях также возможен ламинарный режим течения, но при больших перепадах давлений Re > ReKp и возникает турбулентный режим течения. Удельные утечки при турбулентном режиме течения определяют по формуле

(1.28)коэф-

(1.28)коэф-

газов

газов

Q = Q/B = 4>ThVMp, (1.29)

где Ч'т = F (Re,/1,...) — слабая функция числа Re (для автомодельного турбулентного режима практически Ч*т=const); р —плотность, кг/м3; ]/Ар/р — средняя скорость течения среды по зазору, м/с.

В реальных щелевых уплотнениях необходимо учитывать деформации стенок втулки под давлением, температурные деформации, вибрацию и другие динамические факторы, а также зависимость вязкости среды от давления и температуры. Все это очень усложняет задачу и приводит к громоздким математическим выражениям. Формулы, удобные для практических расчетов, получены методом выделения главных факторов [членов уравнений (1.18) —(1.28)] и введения безразмерных коэффициентов формы Ч*, уточняемых на основании статистических данных.

При расположении уплотнений разных подклассов в ряд по степени увеличения

утечек щелевые уплотнения можно принять за эталон наибольших утечек. При давлении р = 10 МПа, вязкости жидкости v = 10 мм2/с и диаметре уплотнения 30 мм (В«100 мм) расход составляет 0,1—0,8 дм3/ч, что соответствует удельным утечкам Q = 250... ...2000 мм3/(м-с).

Течение газов по щелям и капиллярам. В области нормальных и высоких давлений в газах, как и в жидкостях, возникают вязкое трение и ламинарное или турбулентное течение. Через щелевое уплотнение размером В х h с параллельными стенками при докритическом изотермическом течении массовый расход на единицу периметра, г/(м • с):

ё".=-^ = Ч'^3Р- (1-30)

где р — средняя плотность газа: р = = (pi + р2)/2 = m!V=0,5^ -^МЦКТУ М — молярная масса, г/моль; R — универсальная газовая постоянная, равная

8,3 Дж/(моль-К).

Более известна из (1.30) заменой

формула, полученная Р:формула, полученная Р:Qm =Qm =ММh3 pi - pih3 pi - pi24 / цВТ ‘24 / цВТ ‘(1.31)(1.31)Сильно разреженные газы (примерно до давления ниже 0,5 (/?! + р2) = 0,1 Па при размерах капилляров менее 0,1 мм) отличаются большой длиной свободного пути молекул (X « 1/р), превышающей поперечные размеры каналов (В х г х /1). При этом соударение молекул происходит реже, чем со стенками, и течение газа происходит в сторону более низкого

формула, полученная Р:

формула, полученная Р:

Qm =

Qm =

М

М

h3 pi - pi

h3 pi - pi

24 / цВТ ‘

24 / цВТ ‘

(1.31)

(1.31)

Qm =Qm =8л / М г3 .3 / 2лКТ7Лр’8л / М г3 .3 / 2лКТ7Лр’(1.32)(1.32)(1-34)(1-34)

Qm =

Qm =

8л / М г3 .

3 / 2лКТ7Лр’

8л / М г3 .

3 / 2лКТ7Лр’

(1.32)

(1.32)

(1-34)

(1-34)

давления независимо от значения О,5(Р1+рг) в соответствии с механизмом молекулярного течения. Массовый расход газа, кг/с, через капилляр радиусом г, м:

где все величины выражены в тех же единицах, что и в формуле (1.30).

В зарубежной литературе молекулярное течение часто называют течением Кнудсена.

Диффузионное проникновение среды. Негерметичность вследствие диффузии в той или иной степени свойственна всем уплотнениям. Диффузия (взаимное проникновение двух или нескольких соприкасающихся веществ) обусловлена разностью концентраций С одного вещества в другом. Диффузию среды через диафрагму подразделяют на следующие стадии: 1) поглощение жидкости (газа) уплотнителем — сорбция (коэффициент сорбции «!, м/с); 2) диффузия среды через перегородку (коэффициент диффузии Dp, м2/с); 3) выделение (десорбция) среды с другой стороны уплотнителя (коэффициент <х2, м/с). При стационарном процессе на основании первого закона Фика через перегородку толщиной / и площадью S, массовый Qms, кг/с, и объемный Qs, м3/с, расходы среды пропорциональны градиенту концентраций dC/dx % &С/1:

Ом = ^7 $~ 4-sA^s (1 33) ах I

Qs^s^,

где Фх = —г + — + —,- функция

\£Lj 12 р 0^2* )

проницаемости, м2/с; qp — степень набухания — относительное содержание среды в материале уплотнителя, определяемое по кинетическим кривым набухания g(t).

Расходы Qms и Qs очень малы по сравнению с другими видами утечек.

Наименьшую проницаемость обеспечивают металлы, затем плотные пластмассы, наиболее проницаемы эластомеры и резинотканевые материалы. В качестве характеристики уплотнения применяют удельную проницаемость единицы площади в единицу времени. При расположении уплотнений в ряд по степени увеличения утечек диафрагмовые (сильфонные) уплотнения можно принять за эталон самых малых утечек. Потери на просачивание составляют менее 10"14 м3/(м2-с).

Диффузионная проницаемость по контактной поверхности уплотнений. Область контакта уплотнителя с уплотняемой поверхностью отличается неоднородностью структуры. В ней нет полной сплошности, свойственной материалу основных деталей, и можно выделить участки контакта поверхностных пленок, пустоты, участки контакта уплотнителя и уплотняемой поверхности. Механизм контактной диффузии сложен и количественно не изучен. Однако практически при любых экспериментах по определению коэффициента диффузии неявно находят контактную диффузионную проницаемость по периметру мембран. Для контактной диффузии в уравнение (1.33) введем следующие поправки: 1) высота зоны контакта примерно равна параметру шероховатости Кг, поэтому S = В Кг; 2) с учетом пустот в области контакта толщина ее составляет kJ (/ci < 1); 3) вследствие более рыхлой структуры поверхностных пленок коэффициент Ч^к = k^s. Тогда массовый расход и удельная проницаемость:

„, ЬСВКг

Qm$K = кЧ*$ —;

Q$k=—= №^.

Р kJ

Утечки вследствие контактной диффузии пропорциональны периметру уплотнения [ср. с уравнением (1.28)].

Контактные уплотнения неподвижных соединений. Основным механизмом утечки является течение среды через не-

плотности — микроканалы — между поверхностями уплотнителя и детали, возникающие вследствие шероховатости поверхностей и наличия дефектов, температурных и силовых деформаций (подробнее см. подразд. 3.1 и 3.2). При соприкосновении двух твердых поверхностей образуется система впадин, капилляров произвольной формы и пятен касания, которые можно представить в виде схемы, показанной на рис. 3.3. При действии перепада давлений по отдельным капиллярам возникают утечки Qi, суммарное значение которых можно оценить по упрощенной схеме (см. рис. 3.3, в). Кроме того, происходит контактная диффузия среды. Использовав формулу типа (1.18) для утечек Qi в каждом канале, получим формулу для общей утечки

(1.35)

где Ч\ = 1/12 ^р, (В,//,) б,-3 — коэффициент формы, характеризующей проводимость микроканалов и являющийся безразмерной функцией состояния поверхности (параметра Rz, угла профиля у, направления следов обработки), свойств материалов (модулей упругости Et и Е2, коэффициентов Пуассона ц* и ц^) и контактного давления рк.

Коэффициент Ч^ учитывает наличие микроканалов, образованных довольно регулярными следами механической обработки (Тр), и влияние совершенно случайных дефектов поверхностей — рисок, раковин, пор, частиц загрязнений (Тд):

V, = Тр + Тд.

Сближение поверхностей контакта под действием давления рк происходит в три стадии: 1 — внедрение самых больших выступов; 2 — заполнение регулярных микровпадин; 3 — заполнение впадин- дефектов. Основное влияние на формирование микроканалов и герметичность соединения оказывает вторая стадия, для которой можно вычислить размеры

сечения микроканалов Bi и б, в зависимости от рк для ряда упрощенных моделей (см. подразд. 3.1).

Сближение поверхностей контакта под действием давления рк (без учета дефектов) исследовано Н. Б. Демкиным, Э. В. Рыжовым и др. При установке уплотнения должно быть обеспечено давление рк, при котором регулярные микроканалы полностью перекрыты и Тр = 0. Для эластомерных колец и прокладок [35] Ч,р=Ч,ое-3рк/(,:£|, где То и к — коэффициенты, зависящие от качества обработанной поверхности.

Из опыта эксплуатации уплотнений известно, что для резин с модулем Е = 7...12 МПа в конце срока службы необходимо рк > 0,25 МПа, поэтому при монтаже нового уплотнения следует обеспечить рк = 1,5... 3 МПа. Для металлических прокладок необходимы значительно большие давления, МПа: для свинца 50—60, для алюминия 100—140, для высоколегированной стали 500 — 600.

Характерная высота микроканалов имеет порядок долей микрометра, ширина — сотен микрометра, длина имеет порядок ширины уплотнения /. Если в уравнении (1.35) учесть зависимость зазоров и ширины микроканалов от контактного давления, получим уравнение для расчета утечки, м3/с,

Q = То y^Rz3e"^№, (1.36)

где к = 0,1... 0,3 ориентировочно.

Из уравнения (1.36) следует, что при повышении рк до кЕ утечки уменьшаются примерно на два порядка (так как е-3 = 5-10~2), поэтому необходимо искать конструктивные решения, при которых с повышением давления среды р автоматически повышается контактное давление рк. Способность к самоуплотнению характерна для активных уплотнений — эластомерных колец, устанавливаемых в замкнутые канавки (см. рис. 1.6, е). При установке кольца диаметром d в канавку высотой Н в результате деформации сжатия на

Од |Rz уОд |Rz у

Од |Rz у

Од |Rz у

уплотняемых поверхностях шириной /0 возникает начальное давление рк = рко- При давлении среды р материал кольца ведет себя подобно очень вязкой жидкости, передавая давление р на стенки. Уплотнение ведет себя подобно системе с обратной связью по давлению, поэтому на уплотняемых поверхностях создается давление, близкое к сумме рк = рко + sp, где $ — коэффициент передачи давления (для эластомеров s = 0,90... 0,98). "

Таким образом, при правильной установке кольца в закрытую канавку давление рк автоматически увеличивается при увеличении давления среды р, причем рк > р. При этом герметичность увеличивается, поскольку множитель е-зрк/№ уменьшается [см. уравнение (136)].

Для пассивных уплотнений — прокладок во фланцевых соединениях без канавок (см. рис. 1.6,8) —не характерна способность к самоуплотнению: при действии давления среды увеличивается нагрузка на болты фланцев, уменьшаются сила затяжки прокладки и давление рк. При некотором критическом давлении среды ркр происходит разуплотнение (см. подразд. 3.5).

Способность к самоуплотнению за счет давления среды реализуется во многих конструкциях контактных уплотнений, а также в некоторых щелевых бесконтактных уплотнениях.

Размеры дефектов превышают размеры регулярных микронеровностей, причем дефекты располагаются совершенно случайно. Для заполнения их уплотнителем необходимо большее контактное давление, однако и при этом они могут остаться не заполненными. Математическую модель процесса Q(pK) по дефектам можно создать только на статистической основе. Частота появления дефектов, при прочих равных условиях, пропорциональна периметру уплотнения В, а их влияние на герметичность обратно пропорционально ширине уплотнения /, поэтому роль дефектов малых размеров (8, < 50 мкм) можно

учесть функцией Ч'д. Роль более крупных дефектов (сквозных рисок с размерами Вд, 8Д) учитывают по вероятности их наличия на единице периметра уплотнения В. В уравнение (1.35) подставляют функцию формы Ч'х=Ч'ое_3₽к/'*£+Ч'д, которая при рк > кЕ стремится к величине

Л 12/jB

Например, при среднестатистическом наличии сквозных рисок на периметре В = 100 мм: Zi = 1 (81 = 50 мкм; Bi = = 0,1 мм) и z2 = 10 (82 = 20 мкм; В2 = 0,01 мм) для Rz = 10 мкм и к х I получаем Ч'д да 102.

Дефекты являются основной причиной негерметичности уплотнений неподвижных соединений. Кроме рисок, раковин и подобных дефектов большую роль играют загрязнения на поверхностях уплотнителя и посадочных мест (волокна и стружки аналогичны крупным сквозным рискам). Дефекты выявляют и устраняют при приемо-сдаточных испытаниях. Так как контроль негерметичности и разборка изделий — дорогие и трудоемкие операции, более рационально предотвращать дефекты путем повышения культуры производства — улучшения обработки и очистки деталей. Вероятность появления дефектов существенно зависит от точности обработки поверхности. Чем грубее назначена обработка поверхности, тем менее тщательно она контролируется и содержит больше дефектов.

Контактные уплотнения подвижных соединений (УВ, УПС). Для расчета уплотнений подвижных соединений необходимо изучить совокупность проблем герметичности, трения и изнашивания. Движение контртела (вала, штока и др.) вызывает новые физические процессы в зоне контакта с уплотнителем, в результате которых между поверхностями может возникнуть пленка смазочного материала и в образовавшийся зазор 8 может проникнуть герметизируемая среда. В торцовых и радиальных УВ поток,

создаваемый перепадом давлений Др, перпендикулярен потоку жидкости в направлении скольжения. В УПС этот поток совпадает по направлению с движением контртела.

Процессы в области контакта зависят прежде всего от свойств материалов контактирующих тел, поэтому они существенно различны для механических и эластомерных УПС и УВ. Одной из особенностей УПС и УВ является широкий диапазон условий работы и возникающих при этом различных режимов трения. Переход от одного режима трения к другому обусловлен изменением рабочих параметров р, г, рк и наличием (или отсутствием) пленки смазочного материала. Толщина 8 этой пленки определяет не только расход Q ~ 8s (обычно s = 3), но и характер трения Последний оценивают сочетанием параметров г, р, рк, I в виде безразмерного критерия режима

G = ри/рк/.

Поскольку толщина пленки 8 и коэффициент трения / являются функциями параметров у, р, рк и I, уравнения для определения утечек Q = F (р, у, рк,...), коэффициента трения / = F (р, г, рк,...) и эквивалентного зазора h = F(p, г, рк,...) целесообразно записывать в единообразной форме, т. е. при описании рассматриваемых процессов использовать уравнения Q = F(G), / = F(G).

Критерий относительной толщины пленки h = h/Rz в ряде случаев аналогичен критерию G [35, 52] и отражает принципиальную связь явлений не только с критерием G, но и с параметрами, характеризующими состояние поверхности (параметром шероховатости Rz, волнистостью и другими отклонениями формы, макроструктурой поверхностных слоев материала).

Взаимосвязь герметичности и коэффициента трения влияет на ресурс уплотнения. Часто для уменьшения утечек стараются повысить рк, однако при этом существенно интенсифицируются процессы трения, нагрева и изнаши

вания. Для каждого вида уплотнений существует определенная область контактных давлений, в которой при заданных v и р утечки и износ минимальны. Чтобы создавать уплотнения, работающие преимущественно в области оптимальных параметров у, р, рк, или выбирать стандартные для определенных условий работы, необходимо иметь правильное представление о механизме процессов в уплотняющем элементе. Если уплотнение предназначено для эксплуатации в условиях жидкостной смазки (см. подразд. 1.4), на основании закона Ньютона и уравнения Рейнольдса (1.27)

, т ри

/ = —=8 = F(p, У, рк\

Рк рк8

В уплотнениях разных видов при малых зазорах полного разделения контактных поверхностей нет. В пределах площади касания кроме жидких пленок возникают области соприкосновения граничных структур, поэтому происходит смешанное трение с полужидкостной смазкой. Этот режим, отличающийся минимумом утечек и коэффициента трения, наиболее благоприятен для работы уплотнений. На рис. 1.23 приведены результаты экспериментальных исследований герметичности и трения манжетных и торцовых УВ [67]. В логарифмических координатах зависимость/(G) имеет вид наклонных (tg а = ш) прямых с коэффициентом Ф. Прямая С —С, соответствующая Ф = Фс, отделяет область герметичности, для которой Ф > Фс, от области негерметичности (Ф < фс). Очевидно, область вблизи кривой / = ФсСт является наиболее оптимальной для работы уплотнения

При определенных значениях критерия G зависимости/(G) и h(G) можно записать в общем виде

/ = ФСт; h = ZG", (1.37)

где Ф, Z — функциональные коэффициенты; т, п — показатели степени (Z имеет размерность длины).

Так как утечки являются функцией

Рис. 1.23. Зависимости коэффициента трения от критерия режима для УВ: а — торцовых; б — манжетных (светлые точки — герметичные УВ, темные — негерметичные)Рис. 1.23. Зависимости коэффициента трения от критерия режима для УВ: а — торцовых; б — манжетных (светлые точки — герметичные УВ, темные — негерметичные)эквивалентного зазора И, уравнения (1.37) характеризуют связь герметичности и коэффициента трения уплотнений. Коэффициенты Ф и Z существенно зависят от геометрии поверхности и особенностей конструкции. Для примера на рис. 1.24 показана зависимость Ф от волнистости поверхности торца уплотнения [67].

Рис. 1.23. Зависимости коэффициента трения от критерия режима для УВ: а — торцовых; б — манжетных (светлые точки — герметичные УВ, темные — негерметичные)

Рис. 1.23. Зависимости коэффициента трения от критерия режима для УВ: а — торцовых; б — манжетных (светлые точки — герметичные УВ, темные — негерметичные)

Рис. 1.24. Зависимость коэффициента ф от волнистости поверхности торца

Механические торцовые уплотнения (см. рис. 1.6, г) являются примером конструкций с обратной связью по давлению для уменьшения утечек при повышении давления среды. Эти уплотнения позволяют ограничивать силы трения на контактной поверхности, сохраняя свою герметизирующую способность. Принцип их действия основан на регулировании баланса сил, действующих на уплотнитель — плавающее кольцо. При давлении среды р рк = р(Ь — к) + рп (где Ь, к, рп — постоянные конструктивные параметры), причем рК < р. Уплотнение должно быть герметичным, для чего рк должно превышать минимальное значение pKmin, и длительно работоспособным, для чего / должно быть минимальным, а рк не должно превышать максимального значения рктах- Влияние рк и коэффициен-

Рис. 1.25. Зависимости утечек б через торцовое УВ от контактного давления (а), коэффициента нагруженности (б) и давления в полости (в, г):

7 — водосодержащая жидкость а = 72 мН/м, 2 — то же, о = 30 мН/м

Рис. 1.26. Экспериментальные [35] зависимости зазора 8 в торцовом УВ от контактного давления для масла АМ Г-10 (я) и скорости скольжения для масла МГЕ-10 (б) и различных масел (в —г):

/ — керосинового базового, г = 2.3 мм?/с; 2 — загущенного, к = 8 мм2/с; 3 — загущенного МГЕ-10, г — = 10 мм2/с; 4 — дистилатного АУ, г — 13 мм2/с

та нагруженности b = Sa/S (Sa и S — активная и опорная площади кольца) на утечки торцового уплотнения иллюстрирует рис. 1.25, а, б. Утечки резко увеличиваются при ркт1П < 0,07 МПа или при b < 0,55... 0,65 (в зависимости от конкретных условий). Наиболее полное представление о процессах в зазоре торцового уплотнения дает непосредственное измерение зазора 8. Зависимости 8 от рк, и и типа жидкости в торцовом уплотнении показаны на рис. 1.26. При неподвижном вале зазор мал и не поддается измерению, сплошная масляная пленка отсутствует и удель- дельные утечки не превышают Q = = 0,1... 0,5 мм3/(м • с). Когда при малом рк одно из колец начинает вращаться, оно как бы всплывает с образованием масляной пленки толщиной 80 ~ 0,5 мкм. Дальнейшее увеличение частоты вращения вызывает постепенное увеличение зазора 8 до 2 — 3 мкм (рис. 1.26,6). С увеличением рк зазор 8 уменьшается (рис. 1.26, а). Заметное увеличение 8 при увеличении г наблюдается при рк < 0,7 МПа. При большом рк зазор приближается к минимальному: 8о ~ Rz ® 0,5 мкм. При рк < 0,7 МПа зазор 8 существенно зависит от вязкости и состава масла (рис. 1.26, в); при рк > 1 МПа кривые 8 (г) для разных масел располагаются в узкой заштрихованной области (рис. 1.26, г). Рассмот

ренный пример иллюстрирует общую закономерность формирования зазора при малом рк (в уплотнениях других конструкций предельные значения рк и 8 могут быть другими). До предельного значения рк пленка жидкости в зазоре проявляет свойства саморегулирующейся системы, уменьшаясь с увеличением нагрузки и увеличивая при этом подъемную силу. Зазор состоит из двух частей: h = hn + ht, где hn определяется шероховатостью и волнистостью поверхностей торцов, /1Г — гидродинамическими эффектами, вследствие которых кольцо всплывает относительно опоры. Зазор /1П определяют по формуле

hn = 0,86 (Az! + Rz2),

где Rzy и Rz2 — параметры шероховатости соответственно первой и второй поверхностей.

Исходные поверхности при работе уплотнения быстро меняют форму вследствие приработки, силовых деформаций, нагрева и изнашивания, поэтому по приведенной форме можно определить лишь порядок зазора hn. Существует несколько теорий, объясняющих возникновение гидродинамических несущих сил на тщательно обработанной плоской опоре торцового уплотнения. Все они исходят из рассмотрения совокупности гидродинамических эффектов на микроклиньях с учетом влияния волнистости

и перекоса торцов. По теории А. И. Голубева микроклинья с наклоном в направлении скольжения возникают вследствие температурных воздействий на зерна поверхностной структуры. Материалы типа углеграфитов отличаются наличием плосковершинных микровыступов [36, 67], около которых возникают несимметричные зоны разрежения и повышенного давления. Гидродинамический зазор hT формируется под воздействием фрикционного потока в направлении скольжения, натекающего на микровыступы и наклоны торцов. Он перпендикулярен потоку жидкости. Главные факторы, определяющие Н, — вязкость р, скорость скольжения г, контактное давление рк и форма поверхности. В соответствии с уравнениями (1.27) и (1.37) принципиальная зависимость имеет вид

h, = F(u, Ц, р*,..h, = F(u, Ц, р*,..= kRz= kRz.) = kRzG" = гр У.) = kRzG" = гр У(1.38)(1.38)PkRz / ’PkRz / ’где к — безразмерный коэффициент (для масел к = 0,07... 0,15); п — показатель степени (и « 2/3).

h, = F(u, Ц, р*,..

h, = F(u, Ц, р*,..

= kRz

= kRz

.) = kRzG" = гр У

.) = kRzG" = гр У

(1.38)

(1.38)

PkRz / ’

PkRz / ’

Расход Q, м3/с, под действием перепада давлений Др (МПа) при И,»йп определяют из уравнения (1.22) с учетом (1.38):

_ л k^Rz3-" Др сп + G-"6 MR2/RJT р? р1-^ -

, Зрю2± 20 Ар, Зрю2± 20 Ар(Ri-Ri) •(Ri-Ri) •(1.39)(1.39)Здесь знак второго члена в

, Зрю2

± 20 Ар

, Зрю2

± 20 Ар

(Ri-Ri) •

(Ri-Ri) •

(1.39)

(1.39)

скобкахскобкахопределяется направлением утечки: при течении от центра центробежные силы увеличивают утечку, при течении к центру — уменьшают.

скобках

скобках

Уравнение (1.39) раскрывает лишь принципиальную зависимость Q = = F(v, р, Ар, рк, Rz,...), так как конкретные конструкции могут иметь существенные различия. Например, влияние скорости скольжения г может проявиться в температурных деформациях колец, меняющих форму зазора.

На рис. 1.25, в, г показаны экспериментальные зависимости утечки от перепада давлений. При достаточно жестких кольцах наблюдается линейная зависимость 6 (Ар) (рис. 1.25, в). Деформация торцов под действием давления может проявляться аналогично повышению коэффициента нагруженности Ь. При этом нелинейная зависимость б (Ар) имеет максимум (рис. 1.25, г).

При высоком давлении среды (р < 20 МПа) и большом контактном давлении (рк > 1 МПа) торцовые уплотнения работают в условиях граничной смазки. В этом случае герметичность обеспечивают за счет большого коэффициента нагруженности (Ь > 0,7), а ресурс — за счет лучших антифрикционных материалов. Относительно механизма уплотнительного действия существуют противоречивые представления. При таком режиме между поверхностями уплотнения имеется зазор, примерно равный Нп, и большое число зон контакта. Полагая, что по микроканалам происходит утечка под действием перепада давлений Ар, расчет можно выполнять по формуле (1.22). Майер однако утверждает, что вязкость ц при граничной смазке не влияет на утечки и давление в зазоре постоянно (рк), т. е. расчет утечек следует выполнять по эмпирической формуле [49]

е = лРАрй2Х(г)/р2, (1.40)

где $(г) « Sou1'75 — коэффициент зазора (функция скорости, заданная графически); D — диаметр уплотнения на входе жидкости, м.

Режим полужидкостной смазки наиболее вероятен при эксплуатации большинства уплотнений, поскольку коэффициент b назначают из условия не- раскрытия стыка так, чтобы при этом обеспечивалась гарантированная осевая нагрузка. Кроме того, отклонения формы поверхностей (волнистость, перекосы, микроклинья, эксцентричность) способствуют развитию гидродинамических эффектов и появлению гидродинамического зазора Нг. Развитие несущей

способности пленки теоретически разработано [67] и экспериментально подтверждено [68]. Волнистость (йв = = 0,5... 2 мкм) вызывает появление зон обеспеченного зазора во впадинах и зоны возможного контакта по вершинам. При наличии волнистости утечки теоретически можно описать уравнением (1.22) с дополнительным сомножителем [1 + 1,5 (Лв/Л)2], где h — номинальный зазор.

Утечки рассчитывают по формулам (1.38) и (1.39), в которых Rz следует заменить на hB.

Для определения утечек в режиме полужидкостной смазки предложена эмпирическая формула [49]

Q = скВ Ар рг°-5/°-5/р^

где с — коэффициент; В — диаметр уплотнения на входе жидкости; / — ширина уплотняющей поверхности.

Обычно утечки через торцовые уплотнения, приведенные к Др = 1 МПа, находятся в пределах 0,25... ...10,0 мм3/(м-с); для обычных уплотнений 0,25... 1,0; для гидродинамических торцовых 1,0...5,0; для уплотнений в особотяжелых условиях 5,0... 10,0.

Уплотнения соединений возвратнопоступательного движения (УПС). В большинстве УПС применяют эластомерные уплотнители манжетного (рис. 1.6, в) или кольцевого (рис. 1.6, е) типов. В зависимости от профиля сечения уплотнителя контактное давление по-разному распределяется вдоль уплотняющей поверхности, что оказывает большое влияние на формирование пленки смазочного материала. Механизм трения и утечек таких УПС в условиях жидкостной смазки описан на основе эластогидродинамической теории [34, 67], которую можно распространить и на другие режимы работы УПС, введя специальные функции Ti и 4*2, учитывающие режим трения при прямом и обратном ходах контртела (см. гл. 4).

Контртело (шток, поршень, цилиндр) выносит при движении адсорбированную пленку жидкости, причем толщина

пленки 61 при выходе его из полости, как правило, не равна толщине пленки 82 при обратном движении. За каждый двойной ход L контртела диаметром В объем утечки V равен разности объемов пленки при прямом и обратном ходах:

V = 0,5кВЦЧ\Ь1 - Т2б2)=0,5лР£Д/г,

(1-41)

где Д/г — эквивалентная толщина пленки; значения 61 и 62 определяют по формулам (4.2) и (4.3).

Толщину пленки можно представить как функцию критерия режима: 6i = F(Gi) и 62 = F(G2). При работе УПС возможны сочетания различных режимов смазки при прямом и обратном ходах контртела. Соответствие значений функций Ti и Т2 режимам смазки иллюстрирует рис. 1.27. При жидкостной смазке (Й) Т = 1, при граничной смазке и смазке при трении без смазочного материала (III, II, I) V « 0, при полужидкостной смазке ЦУ) 0 < Т < 1.

В режиме жидкостной смазки при определенном сочетании параметров г i и г 2; Pi и ц2 РкМ УПС могут работать без утечек. Скорости щ и и2 при прямом и обратном, ходах контртела могут быть различными, поэтому при t>2 > «1 может быть 61 < 62 и V = 0. Для обеспечения равенства V = 0 за счет равенства 61 = 62 необходимо назначить профиль сечения уплотнителя,

Рис. 1.27. Зависимости коэффициента трения и эквивалентной толщины пленки от безразмерного критерия режима для УПС

обеспечивающий оптимальное распределение контактного давления вдоль уплотняющей поверхности. Отметим, что в формулы для определения 51 и 5 г необходимо подставлять значения щ и Р2 соответственно при наружном и внутреннем давлении (см. подразд. 1.2).

Если контртело совершает о двойных ХОДОВ В 1 С, ТО при 01 = Г 2 = г С = Его. Удобно относитьрбъем утечки V к площади штока nDL: V = 2F/(nDL) = = ЛЬ, т. е. удельный объем утечек численно равен эквивалентной толщине пленки ЛЬ.

Для движения контртела в одном направлении можно ввести в рассмотрение критерий Ь = h/Rz (соответственно hY = 5i/Kz; Ь2 = b^Rz), определяющий режим смазки в УПС и значение функции Т. Здесь могут быть различные сочетания, но наиболее распространенный случай: при прямом ходе 51 = F (£, к„ ц, v...) — слабая функция р; §2 = F (р, v, р,...) — сильная функция р (Е — модуль упругости; кЕ — коэффициент, определяющий рко и dp^dx). Режим жидкостной смазки (У) возникает при h ^ 0,8... 1, полужидкостной (IV) — при 0,5 < h < 0,8 (см. рис. 1.27). Влияние параметров режима р, и, р на У = ЛЬ наглядно выявляется при записи уравнений утечки (1.41) в виде

Й= ]/ТМ \/^ - .

\ |/£ЬЕ +ср" /

(1.42) где d — определяющий размер уплотнителя (например, диаметр сечения кольца круглого сечения); а — пьезокоэффициент вязкости; А, В, с, п, кЕ — коэффициенты.

На рис. 1.28 [34, 36] приведены экспериментальные зависимости толщины пленки ЛЬ и силы трения Ру от параметров р и v для УПС. По результатам экспериментов можно сделать следующие выводы.

Принципиальные зависимости Q = F(p, и, р) и /= F(p, и, р, Rz) соответствуют в большинстве случаев уравнениям (1.37), (1.41) и (1.42). Для достаточно вязких масел существует

° 0ДЬ,мкм° 0ДЬ,мкмДЬ,нкм Q,mm3,xoOДЬ,нкм Q,mm3,xoO0,60,6-6-6ОЛОЛ-4-40,20,2-2-2200200ол 0,20,1ол 0,20,1ДЬ,мкмДЬ,мкмр^ООМПар^ООМПар=10МПар=10МПа1о1о816 20 р,МПа^_ Pf.H816 20 р,МПа^_ Pf.H1001000,02 0,050,1v, м/с г)0,02 0,050,1v, м/с г)0,ОО- ОМ0,ОО- ОМ"1б"1б816 24 р.МПа 0 0,00- 0,08 0,12 0,16v,m/c

° 0

ДЬ,мкм

° 0

ДЬ,мкм

ДЬ,нкм Q,mm3,xoO

ДЬ,нкм Q,mm3,xoO

0,6

0,6

-6

-6

ОЛ

ОЛ

-4

-4

0,2

0,2

-2

-2

200

200

ол 0,2

0,1

ол 0,2

0,1

ДЬ,мкм

ДЬ,мкм

р^ООМПа

р^ООМПа

р=10МПа

р=10МПа

1

о

1

о

816 20 р,МПа

^_ Pf.H

816 20 р,МПа

^_ Pf.H

100

100

0,02 0,050,1v, м/с г)

0,02 0,050,1v, м/с г)

0,ОО- ОМ

0,ОО- ОМ

"1б

"1б

г)

Рис.Рис.Зависимости, характеризующие утечки (а —в) и трение (г) в эластомерных

Рис.

Рис.

УПС

зависимость Q = F (р, г, р), характерная для жидкостной смазки. Для маловязких жидкостей (керосина, бензина) пленка смазочного материала практически отсутствует, утечек нет (Ч1 = 0) до большого износа уплотнителя, коэффициент трения соответствует трению при граничной смазке или без смазочного материала. Существенно влияет на Q и /пьезокоэффициент вязкости а: жидкости с большим а при высоком давлении подобны высоковязким.

Значения Q и / для УПС существенно зависят от профиля сечения уплотнителя и характерного для него распределения контактного давления. При оптимальном распределении рк можно добиться отсутствия утечек и даже наблюдать «насосный» эффект при малых давлениях (кривая 2 на рис. 1.28, в).

Для УПС характерна асимметрия силы трения при прямом (из полости цилиндра) и обратном ходе штока (см. рис. 1.28, г). При прямом ходе обычно создается жидкостная пленка, уменьшающая силу трения. При обратном ходе пленка значительно тоньше или отсутствует, что увеличивает силу трения.

В момент реверса в УПС изменяется положение уплотнителя, а следовательно, механизм смазки, поэтому работоспособность УПС существенно зави-

сит от числа совершенных штоком двойных ходов.

В отличие от УВ удельную утечку через УПС выражают отношением объема утечки к суммарной площади контртела за п двойных ходов: V = = V^KDLnp Работоспособность уплотнения оценивают не по времени работы t, а по пути ILn, пройденному контртелом до повреждения УПС и резкого увеличения утечек. Среднестатистические утечки через эластомерные УПС (манжеты, кольца Х-образного и пилообразного сечений) находятся в пределах 0,001... 0,5 см3/м2 с преобладанием вероятных утечек на уровне 0,01 см3/м2. Обычная наработка УПС с эластомерными уплотнителями до появления сильной утечки 2Ui = 300... 500 км. Утечки через УПС с шевронными резинотканевыми манжетами в 2 — 5 раз больше, чем через УПС с эластомерными уплотнителями, однако они обеспечивают наработку до 1500 км. В последнее время начинают широко применять комбинированные резинопластмассовые УПС. Теоретического расчета утечек таких уплотнений нет.

При практических расчетах утечек целесообразно исходить из экспериментальных значений Vo, установленных для определенного размера d0 и параметров Цо, «о, Ро- Утечки для других уплотнений данного вида размером d при р, и, р и V % 0,3... 1 ориентировочно рассчитывают по формуле, полученной из (1.42) заменой члена в скобках на |/р (анализ кривых на рис. 1.28, а, в показывает, что Г(р) можно аппроксимировать зависимостью V ~ ~1/р):

У=Уо]/——— Л (1-43) ' Ро Уо Ро "о

Это весьма простое уравнение позволяет сравнивать результаты частных испытаний со среднестатистическими данными. Для УПС общепромышленного назначения базовыми условиями целесооб

разно считать р = 10 МПа, р = 10 мПа • с, а = 0,1 м/с. Пример расчета см. стр. 59.

Манжетные уплотнения валов. Резиновые манжеты — наиболее распространенный вид УВ (см. рис. 1.6,6 и 5.2). Механизм герметизации определяется взаимодействием вращающегося вала с эластомерной кромкой манжеты при больших частотах микроперемещений ее участков. Релаксационное запаздывание движения поверхностного слоя и гидродинамические эффекты определяют возникновение некоторого зазора. На этих предпосылках основаны предложенные модели процессов, происходящих на микронеровностях [67], и теория, изложенная в подразд. 5.2 [35, 52]. Теоретическая зависимость утечки О от и, ц, рк имеет вид Q = кВури/рк. Однако законченная теория герметичности манжет до сих пор не создана. При оптимальном усилии браслетной пружины эти УВ отличаются высокой герметичностью и малым трением. Удельные утечки находятся в пределах классов 2—1, 2 — 2 (см. табл. 1.8) — видимых утечек нет. При повышении давления среды р значительно увеличивается контактное давление. Герметичность при этом сохраняется, но кромка сильно нагревается, поэтому предельное давление р = 0,05... 0,1 МПа. Увеличение частоты вращения п и биения поверхности вала 2ед приводит к снижению герметичности. То же происходит при начале вращения вала на морозе, когда Q як 0,25... 1 мм3/(м - с).

Трение уплотнений из эластомеров и пластмасс

Терминология. Согласно ГОСТ 23.002 — 78 выделяют следующие виды внешнего трения: покоя, движения, скольжения, качения, а также со смазочным материалом и без него. Под внешним трением подразумевают явление сопротивления относительному перемещению, возникающее между двумя телами в зонах соприкосновения поверхностей

по касательной к ним, сопровождающееся диссипацией энергии. Смазка — действие смазочного материала, в результате которого между двумя поверхностями уменьшается сила трения и (или) износ. В ГОСТ 23.002 — 78 установлены следующие виды смазки: газовая, жидкостная, твердая, полужидкостная, граничная, гидро- и газодинамическая, гидро- и газостатическая эластогидроди- намическая.

Механизм трения зависит от наличия смазочного материала и параметров его состояния, характера физикомеханического или физико-химического взаимодействия контактирующих поверхностей. При изменении параметров р, v, р, 9 до определенных пределов происходит переход от одного механизма трения к другому — в соответствии с этим выделяют определенные режимы трения [76]. Особенностью режимов трения уплотнений из эластомеров и пластмасс является зависимость вида смазки от сочетания параметров р, с, 9, продолжительности t контакта при отсутствии движения. Смазочным материалом уплотнений является рабочая Р или окружающая А среда, проникающая в зону контакта при перемещении контртела.

От параметров р, v, р, 9 зависит состояние сред Р, А и материала уплотнения. Зона контакта эластомерного уплотнителя с твердым контртелом неоднородна и содержит элементы с разными механизмами трения, поэтому принятые для оценки трения понятия силы Ру и коэффициента /

трения выражают суммарный результат актов трения в элементах.

Силу трения Ру, Н, рассчитывают с помощью условного коэффициента трения /:

Ру = KDlfpt,Ру = KDlfpt,где pt = —— \ pKdl « pto + sp 1 о

Ру = KDlfpt,

Ру = KDlfpt,

(1.44)среднее(1.44)среднееконтактное давление по кольцу, Па; s — коэффициент передачи давления; I — ширина контакта, зависящая от давления и деформации е при установке кольца в канавку, м; D— диаметр, м.

(1.44)

среднее

(1.44)

среднее

Для колец со сложным профилем сечения давление pt определяют экспериментально. Так как в зоне контакта давление рк и толщина пленки h распределены неравномерно, необходимо рассматривать некоторые средние значения Рк, pto, /, определяемые из экспериментальных зависимостей для силы i

трения Ру = kD ^tdl, силы давления по о

контакту Р = t.D j рк dl и коэффициента о

трения / = Ру/Р.

После подстановки Ру и Р получаем приближенные формулы

f =Pf

kD (l0p*0 + /р) ’nDl (pto + sp)'

(1.45)

Рис. 1.29. Зависимость коэффициента трения / резиновых уплотнений (резина на основе СКН-26 по стали; Rz = = 1,6 мкм) от скорости скольжения (а) и давления (6): 1—4 — кольца круглого сечения при давлении соответственно 1,0; 2,5; 17,0 и 26,0 МПа; 5 —6 —манжета соответственно с D = 50 мм и 35 мм при давлении 0,8 МПаРис. 1.29. Зависимость коэффициента трения / резиновых уплотнений (резина на основе СКН-26 по стали; Rz = = 1,6 мкм) от скорости скольжения (а) и давления (6): 1—4 — кольца круглого сечения при давлении соответственно 1,0; 2,5; 17,0 и 26,0 МПа; 5 —6 —манжета соответственно с D = 50 мм и 35 мм при давлении 0,8 МПаХарактерные зависимости / от p и г (рис. 1.29) можно использовать для расчета при условии идентичности режи-

Рис. 1.29. Зависимость коэффициента трения / резиновых уплотнений (резина на основе СКН-26 по стали; Rz = = 1,6 мкм) от скорости скольжения (а) и давления (6): 1—4 — кольца круглого сечения при давлении соответственно 1,0; 2,5; 17,0 и 26,0 МПа; 5 —6 —манжета соответственно с D = 50 мм и 35 мм при давлении 0,8 МПа

Рис. 1.29. Зависимость коэффициента трения / резиновых уплотнений (резина на основе СКН-26 по стали; Rz = = 1,6 мкм) от скорости скольжения (а) и давления (6): 1—4 — кольца круглого сечения при давлении соответственно 1,0; 2,5; 17,0 и 26,0 МПа; 5 —6 —манжета соответственно с D = 50 мм и 35 мм при давлении 0,8 МПа

Рис. 1.30. Зависимость коэффициента трения эластомерных УПС от режима трения: / — зона контакта поверхностей; 2 — контакт граничных пленок; 3 — жидкость

мов трения и подобии профилей сечения модели и уплотнения, так как они должны иметь одинаковые значения производных dpK/dx, определяющих толщину пленки. При экспериментальном определении / удобнее оперировать удельными силами Py—PylizD и Р = P/nD, Н/м. Значение Р определяется суммой Ро + s/p, поэтому

/ = Р,/(Р0 + s/p).

Момент трения Му для уплотнения диаметром D рассчитывают по формуле

Mz = 0,5л/РВ2 = O,5n/(Po + s/p)D2.

(1-46)

Для расчета уплотнений различных типов с размером профиля сечения d от 2 до 6 мм можно использовать зависимость Ро от деформации сжатия е (см. рис. 3.5).

В зависимости от наличия и сплошности пленки (рис. 1.30) возможно трение без смазочного материала (/), при граничной (II—III), полужидкостной (/У) или жидкостной (У) смазке. Критерием режима трения в данном случае служит относительная толщина смазочной пленки h = t\h/Rz (см. подразд. 1.3 и 4.2).

При жидкостной смазке /ж = т/рк = = щУ(рк6).

Эластичное уплотнение отличается малым модулем упругости, вследствие чего фактическая площадь контакта близка к номинальной даже при действии только Рко- Трение эластомеров имеет преимущественно молекулярно-активационный механизм, на основе представлений о котором создана молекулярно-кинетическая теория Бартенева [7]. Эта теория описывает явления при трении без смазочного материала по гладким поверхностям при страгивании после длительной остановки, когда еще не сформирована пленка смазочного материала или граничная пленка. Режим характеризуется малыми значениями критериев 6 и й (для УПС G < 10~9 и Й<0,05). В местах контакта эластомера с твердым телом возникают адгезионные связи, которые создают сопротивление трения.

Сила трения Ру и фактическая площадь контакта Вф с молекулярной точки зрения определяются энергией активации процесса и числом молекул, находящихся на поверхности контакта. Эти предпосылки позволили теоретически определить напряжение трения в элементе пары ру = F(v, р, Т,.), относительную фактическую площадь контакта S = Вф/S = 1 — е~₽₽к/£ и коэффициент трения

Л = — fl -- е"^Е), (1.47)

ps\ \nv)’

где Xi и В — комплексы физико-химических параметров; 0 — коэффициент, зависящий от шероховатости поверхности (для резин на основе СКН 0 = 1,24).

Уравнение (1.47) позволяет предсказать зависимость коэффициента трения от давлений р и рк, скорости скольжения о, температуры Т, материала контртела, полярности резины и густоты пространственной сетки, влияющих на At и В. Это уравнение описывает только участок I кривой на рис. 1.30. Дальнейшим обобщением и развитием рассмотренной теории является релаксационная теория Лаврентьева [7], фор-

мулы которой для инженерных расчетов использовать затруднительно.

Трение при граничной и полужид- костной смазке. Эти режимы наиболее часто возникают при эксплуатации уплотнений (участки III —IV). При увеличении нагрузок и уменьшении скорости скольжения иногда происходит переход к граничной смазке (участки II—III). Механизм граничной смазки рассмотрен в работах А. С. Ахматова и др. Получено следующее уравнение для коэффициента трения [52]:

Л = А'Тр-^"°-\

где Аг — коэффициент.

В результате экспериментальных исследований выявлена слабая зависимость коэффициента трения от вязкости /г = р^1/6, которую можно объяснить уменьшением фактической площади контакта вследствие гидродинамических эффектов на начальном участке уплотняющей поверхности. Для инженерных расчетов

yr = Ap-^tr^^p-'/6,(1.48)

где 4 — коэффициент, зависящий от материала контртела и состава поверхностно-активных компонентов рабочей жидкости, шероховатости поверхности, материала резины.

Эластичные уплотнения при давлении более 30 МПа работают в режиме граничной смазки или трения без смазочного материала. При таком давлении уравнение (1.47), выведенное без учета влияния давления на силу трения, дает заниженные результаты. На основе релаксационной теории [7] получена расчетная зависимость [52]

У = AiP'213^ - BT/lnv) + А2рт,

(1-49)

где At и Л2 — коэффициенты; т = 1/3.

Жидкостная смазка. При увеличении критерия G = pt>/pnd' в начальных участках зоны контакта развиваются гидродинамические процессы, приводящие к частичному раскрытию стыка и проникновению смазочного материала в зону

контакта (см. рис. 1.30). Возникает смешанная гранично-жидкостная смазка. Дальнейшее увеличение G приводит к распространению зоны раскрытия стыка на всю уплотняемую поверхность. Коэффициент трения определяют по формуле У = ра/(рк8), где зазор 8 зависит от вида уплотнения.

Начальное трение эластичных уплотнений [52]. Согласно молекулярнокинетической теории сила трения покоя должна быть равна нулю, что подтверждают результаты экспериментов (рис. 1.31, а) [7]. На первой стадии происходит высокоэластическая деформация уплотнения, взаимное скольжение контактирующих поверхностей отсутствует и сила трения линейно увеличивается до значения Рс, соответствующего перемещению AL (рис. 1.31,6). Удельная сила Рс = Pc/(nD) = Gl \L/H, где Н и I — высота и ширина уплотнения; G = Е/3 ® 3... 5 МПа — модуль сдвига. На второй стадии происходит отрыв контактной поверхности уплотнения от контртела. Силу Pj0 = Pc в момент отрыва можно назвать начальной силой трения. Она определяется упругим деформированием поверхностного слоя в момент отрыва и разрывом связей между полимером и контртелом, поэтому сила Р/0 деформирования поверхностного слоя при страги- вании весьма значительна. На формирование силы трения при страгивании оказывает большое влияние процесс диффузии из зоны контакта в материал эластомера жидкой пленки масла и гра-

Рис. 1.31. Экспериментальная (а) и теоретическая (6) зависимости силы трения Ру от длины пути контртела

Рис. 1.32. Временная зависимость коэффициента начального трения после длительной остановкиРис. 1.32. Временная зависимость коэффициента начального трения после длительной остановкиничной пленки. Одновременно происходит частичное испарение или растворение пленок с наружной стороны уплотнения.

Рис. 1.32. Временная зависимость коэффициента начального трения после длительной остановки

Рис. 1.32. Временная зависимость коэффициента начального трения после длительной остановки

Таким образом, изменение силы начального трения во времени t для неподвижного контакта описывают уравнением

Р/0 = Р/тах(1 - е-"/т') + Рх(1 -е-№), где Pf max — максимальная сила трения; Ti — постоянная времени процесса диффузии масла (порядка нескольких часов); т2 — постоянная времени процесса хемосорбции (порядка нескольких месяцев); Рх — усилие сдвига, определяемое хемосорбцией.

При неподвижном контакте и 9 = = +90 °C увеличение силы трения происходит в 5 раз быстрее, чем при 9 = +20 °C. Таким образом, увеличение начальной силы трения при длительном хранении уплотнений в неподвижном состоянии можно имитировать выдержкой при повышенной температуре испытания. Начальное значение коэффициента трения (рис. 1.32)

/.о = /и + /г2 + /о = /ог (1 — е ,|/11) +

+ /о2(1-е-,2/12) + /о, (1.50)

где /о1 = 0,3... 0,5; /02 = 0,4... 1,0; т, = = 1...3 ч; т2 = 1О3...1О4 ч.

Влияние температуры. При трении без смазочного материала и частично граничной смазке сила трения Рг для

Рис 1.33. Зависимость Р, от температуры 9 для резины из НК (о) и для СКН-40 (б) при с = 0,017 см/сРис 1.33. Зависимость Р, от температуры 9 для резины из НК (о) и для СКН-40 (б) при с = 0,017 см/сэластомеров с понижением температуры линейно увеличивается до максимальной при 9 = 9С + (10...20)°C (рис. 1.33), что соответствует изменению величины (1 — ВТ/1пг) в уравнении (1.47). От температуры также зависит величина (1 — е-^^) в уравнении (1.47), поскольку она влияет на модуль упругости Е. Трение при граничной смазке в широком температурном диапазоне исследовано недостаточно, однако известно, что Pf увеличивается при уменьшении 9. При температурах от 9с + 20°С до Эс сила трения резко уменьшается, что объясняется уменьшением фактической площади контакта вследствие увеличения модуля упругости при снижении температуры. При дальнейшем понижении 9 Pf почти не меняется.

Рис 1.33. Зависимость Р, от температуры 9 для резины из НК (о) и для СКН-40 (б) при с = 0,017 см/с

Рис 1.33. Зависимость Р, от температуры 9 для резины из НК (о) и для СКН-40 (б) при с = 0,017 см/с

При жидкостной смазке влияние температуры проявляется в изменении вязкости рабочей жидкости и контактного давления уплотнения вследствие изменения модуля упругости материала. Так как вязкость р возрастает значительно, коэффициент трения /ж ~ р1/2 увеличивается.

Экспериментальные кривые зависимости силы трения от температуры при полужидкостной смазке имеют минимум в области температур от 0 до —20 °C (рис. 1.34,6). Коэффициент трения / (рис. 1.34, а) определяется слагаемыми/ и/,, первое из которых [см. уравнение 1.48] уменьшается, а второе увеличивается с увеличением вязкости:

/ = /г+/ж = Лгр-2,3У-°-4р-1'6 +

(1-51)

+ Лжр-1,2г1/2р1/2.

Рис. 1.34, Зависимости удельной силы трения (б) и коэффициента трения (в) от температуры для УПС в масле АМГ-10:1 — D = 30 мм; р = 10 МПа; е = 0,04 м/с; 2 — D = = 170 мм; р = 22 МПаРис. 1.34, Зависимости удельной силы трения (б) и коэффициента трения (в) от температуры для УПС в масле АМГ-10:1 — D = 30 мм; р = 10 МПа; е = 0,04 м/с; 2 — D = = 170 мм; р = 22 МПаРис. 1.35. Экспериментальные зависимости коэффициента трения фторопласт а от давления при различных скоростях скольжения: 1 —3 — v — 0,1... 0,2 м/с; 4 — при страгиванииРис. 1.35. Экспериментальные зависимости коэффициента трения фторопласт а от давления при различных скоростях скольжения: 1 —3 — v — 0,1... 0,2 м/с; 4 — при страгиванииТрение пластмасс. Обычно температура стеклования пластмасс 9С > 80 °C, поэтому в большей части эксплуатационного диапазона они находятся в твердом агрегатном состоянии (см. подразд. 2.1). От эластомеров пластмассы отличаются значительно большей твердостью и прочностью. Механизм трения пластмасс в основном подобен механизму трения металлов и согласно теории Боудена и Тейбора обусловлен срезом адгезионных мостиков связи пары металл — полимер. Если сопротивление срезу т, предел текучести ат, то / = т/от % const при 9 = const. Однако деформация металлов в области контакта носит чисто пластический характер, а характер контактных деформаций пластмасс имеет более сложную природу. При малом контактном давлении деформации упругие, при увеличении давления они имеют промежуточный характер, постепенно приближаясь к пластическим. Фактическая площадь контакта Хф формируется в результате вынужденно-эластической деформации. Вследствие зависимости характера контактной деформации и Хф от давлений р и рк с увеличением р /ф уменьшается (рис. 1.35). Зависимость / от 9 выражена относительно слабо (см. часть кривой при 9 < 9С на рис. 2.33, п), хотя кривые Ру (9) обычно имеют небольшой максимум.

Рис. 1.34, Зависимости удельной силы трения (б) и коэффициента трения (в) от температуры для УПС в масле АМГ-10:

1 — D = 30 мм; р = 10 МПа; е = 0,04 м/с; 2 — D = = 170 мм; р = 22 МПа

Рис. 1.34, Зависимости удельной силы трения (б) и коэффициента трения (в) от температуры для УПС в масле АМГ-10:

1 — D = 30 мм; р = 10 МПа; е = 0,04 м/с; 2 — D = = 170 мм; р = 22 МПа

Рис. 1.35. Экспериментальные зависимости коэффициента трения фторопласт а от давления при различных скоростях скольжения: 1 —3 — v — 0,1... 0,2 м/с; 4 — при страгивании

Рис. 1.35. Экспериментальные зависимости коэффициента трения фторопласт а от давления при различных скоростях скольжения: 1 —3 — v — 0,1... 0,2 м/с; 4 — при страгивании

При малом р коэффициент трения для поливинилхлорида 0,4—0,5; полистирола 0,4—0,5; полиметилметакрилата 0,4 —0,5; полиэтилена 0,6 —0,8; фторопласта-4 0,05 — 0,1.

Фторопласт-4 имеет наилучшие антифрикционные свойства при трении без смазочного материала, однако вследствие плохой теплопроводности при высоких скоростях коэффициент трения увеличивается приблизительно до 0,3. Чтобы устранить этот недостаток, в материалы на основе фторопласта вводят наполнители (см. подразд. 2.4).

Трение уплотнений с защитным кольцом н уплотнений из фторопласта. Для предотвращения выдавливания в зазор уплотнений, работающих при высоком давлении, их выполняют с защитным кольцом (рис. 1.36,«), которое обычно

Рис. 1.36. УПС с защитным кольцом (в) и из фторопласта (6)

изготовляют из фторопласта. Этот материал является линейным термопластичным полимером. Коэффициент трения, при нормальном давлении равный 0,01—0,12, с повышением давления уменьшается (см. рис. 1.35). Кривая зависимости коэффициента трения от скорости при о < 0,3 м/с весьма пологая (градиент dPy/dv мал), а коэффициент начального трения практически постоянен во времени. Характер трения фторопласта подчиняется закономерностям трения полимеров в застеклованном или закристаллизованном состоянии (см. зависимость Ру(д) на рис. 1.33, а при 9 < Эс). Закон трения определяется формированием фактической площади контакта, поэтому коэффициент трения уменьшается при увеличении давления:

/ф^фр-^оГ1'6, (1-52)

где Лф =/0 ® О,1го = 0,1 м/с; р > 0,5 МПа.

Силу трения, Н, для комбинированного уплотнения, состоящего из резинового и защитного колец (см. рис. 1.36, я), рассчитывают по формуле

Pr = JtDhf^ + TtDlJ^p, (1.53)

где D, It и 12 — диаметр и ширина контактной поверхности колец; /1 и/ф— коэффициенты трения соответственно резины и фторопласта.

На поверхности защитного кольца рк«р, так как его устанавливают в канавку при монтаже без сжатия.

Работа уплотнения при высоком давлении внешней среды рс = pi- Для совершения полезной работы агрегата давление в полости нагнетания pi должно быть больше р2 на Ар. Расчетная формула для удельной силы трения в этом случае имеет вид

Ру = 11/1 (р2 + Ар + Рко) +

+ 1г/ф(Рг + Ар). (1.54)

Здесь коэффициенты трения /1 и/ф рассчитывают соответственно для давлений р2 + Ар + Рко и р2 + Ар.

Влияние высокого давления внешней среды р2 проявляется прежде всего в

уменьшении толщины смазочной пленки вследствие уменьшения критерия режима G при переходе к режиму граничной смазки или трению без смазочного материала. Если физические свойства наружной среды существенно отличны от свойств рабочей жидкости, коэффициенты /1 и /ф могут отличаться от рассмотренных ранее [см. уравнения (1.48), (1.52)]. “

Резинотканевые материалы. У шевронных манжет и армированных колец УПС, изготовленных из резинотканевых материалов, прочность и работоспособность при высоком давлении р выше, чем у резиновых. Вследствие структурнослоистого строения резинот каневые материалы отличаются анизотропностью и специфичностью фрикционных свойств. Армирующая ткань впитывает жидкий смазочный материал, который всегда участвует в процессе трения и снижает коэффициент трения /. Зависимости f — F(p, v, р) исследованы мало, но по данным некоторых работ [например, 71] можно сделать следующие выводы: коэффициент трения для резинотканевых материалов меньше, чем для эластомеров: сила трения Ру уменьшается при увеличении риг (см. рис. 1.29); сила трения Ру увеличивается, а средний коэффициент /уменьшается при увеличении числа п манжет в комплекте УПС; средний коэффициент/увеличивается при увеличении осевого поджатия рко манжет.

В основном зависимости / (р) подобны зависимостям для эластомеров. Из экспериментальных данных можно получить расчетную формулу, аналогичную (1-54): " ' '

Ру = Р,/(п1» = XJM.

= с/иДр + рко),1 "

где / = —^Ь; 1 — ширина рабочей кромки манжеты; £ — степень поджатия; enl — высота пакета; p¥i — контактное давление на г-й манжете (в данной формуле средний коэффициент трения / неявно учитывает распределение рк вдоль пакета). При монтаже рко ~ 0,5... 1,0 МПа.

Средний коэффициент / для п = 3...6 определяют из формулы (1.48): / = = /о(Ро/р)2/3 « /1 (?Г 2/3, где/1 to 0,2 при р = 1 МПа:

р, МПа *2510 15 Более 15

/ . . . 0,2 0,125 0,07 0,05 0,03 Возможно увеличение до 0,07

Сочетанием конструктивных параметров в отдельных УПС можно получить /max ДО 1,5/.

Критерии оценки и классы негерметичности

Критерии оценки герметичности гидро- и пневмосистем, работающих при избыточном давлении рабочей среды или в условиях вакуума, различны. Они зависят от целей и методов контроля. Применяют следующие оценки герметичности: качественную («герметично» — «негерметично»); количественную (определение утечки рабочей среды) и оценку интенсивности утечки индикаторной среды с помощью приборов — течеиска- телей.

Качественную оценку герметичности проводят после сборки гидро- и пневмосистем обычного назначения с целью выявления мест утечки и устранения дефектов. Она необходима также при наблюдении за системой во время эксплуатации и во всех случаях, когда невозможен специальный контроль герметичности. Требование «полной герметичности» означает при этом отсутствие в течение установленного времени визуально видимых утечек или запаха герметизируемой среды. После сборки систему сначала подвергают опрессовке под давлением ртах, которое обычно превышает номинальное рабочее давление рн в 1,25—1,5 раза, с целью контроля прочности и выявления грубых дефектов и мест утечки. Затем многие гидросистемы подвергают пневмоиспытаниям, при которых систему заполняют газообразной средой. Проникающая способность у газов значительно выше, чем у жидкостей, поскольку их вязкость

(см. табл. 1.4) на 2 — 3 порядка меньше вязкости рабочих жидкостей (утечки воздуха, например, в 10 раз превышают утечки керосина и в 40 раз утечки воды). Смена среды в гидросистеме — трудоемкая и дорогостоящая операция, поэтому целесообразнее контролировать герметичность системы, заполненной рабочей жидкостью. Методы контроля герметичности можно подразделить на гидравлические и пневматические; с использованием рабочей или контрольной среды. В последнем случае смена сред в системе неизбежна.

Наименьшие утечки, фиксируемые методом контроля, называют чувствительностью контроля [39]. Чувствительность, Вт (м3 • Па/с), некоторых методов, применяемых в промышленных условиях:

Аквариума (вода—воздух) ..10~6

Гелиевым течеиска телем .. 10“®—10~"

Галоидным течеискателем ..10~7

Акустического 10~5

При выборе метода контроля следует иметь в виду, что высокочувствительные специальные методы очень трудоемки и дороги, поэтому их применяют только для особо ответственных систем. Для обычных систем, изготовляемых по хорошо отлаженной технологии, их целесообразно применять при периодических испытаниях.

Гидравлические системы. Визуальным методом выявляют места возможной утечки. Преимуществом метода является то, что система заполнена рабочей жидкостью, испытания совмещаются с опрессовкой и проверкой функционирования. Недостаток метода — невозможность контроля визуально недоступных мест утечки, низкая чувствительность и субъективность. Критерии оценки: образование подтеков без каплепадения, подтекания с каплеобразованием, капельные утечки. Соответствующий диапазон утечек для масел и нефтепродуктов 0,025... 10 мм3/(м-с). Визуальный метод контроля со сбором утечек на фильтровальную бумагу несколько точ-

нее, чем просто визуальный. По площади масляных пятен на бумаге дают грубую количественную оценку утечек. Это один из наиболее распространенных методов контроля уплотнений подвижных соединений. Визуальный метод контроля с применением окраски также позволяет выявлять места возможной утечки. Меловая краска хорошо выявляет подтеки масла и легко удаляется после проведения испытания. Некоторые составы для окраски меняют цвет в местах утечки. Для окраски применяют также составы, вступающие в химическую реакцию с рабочей средой, проникающей в местах утечки. Состав при контакте с утечкой масла интенсивно вспучивается. Визуально-каталиметрический метод основан на химической реакции вводимых в контрольную или рабочую среду специальных веществ — катализаторов с компонентами окраски. Вследствие каталитического характера реакции метод имеет повышенную чувствительность [6 ~ 0,001 мм3/(м • с)]. Визуальный контроль паровыделения в местах утечки перегретой рабочей жидкости применяют для контроля герметичности высокотемпературных гидросистем сверхскоростных самолетов [105]. Нефтяная рабочая жидкость в местах утечек из системы при высоком давлении и Э = 288 °C > &в образует облачко пара. Испытания проводят в специальных помещениях с подключением гидросистемы к высокотемпературной насосной установке. Одновременно проверяют функционирование гидросистемы.

Люминисцентный метод основан на флюоресценции некоторых жидкостей при облучении ультрафиолетовыми лучами. При этом выполняют визуальный осмотр мест возможной утечки. В качестве контрольной среды используют керосин.

Пневматические системы и пневмоиспытания на герметичность. В системе под давлением в результате утечек давление снижается. Измерение изменения давления в системе при статических условиях при строго постоянной темпе

ратуре позволяет оценить суммарные утечки в соответствии с уравнением (1.2). Чувствительность метода 10" 4 Вт.

Метод обмыливания мест возможной утечки позволяет выявлять места дефектов и ускоряет проведение контроля, однако его можно применять для контроля только визуально доступных мест. В качестве покрытия применяют специальные составы с ПАВ (например, ПИГ-11, ПИГ-2С), что позволяет повысить чувствительность метода до 10~6 Вт. При контроле методом вакуумирования контролируемый объект помещают в хорошо герметизированную камеру, в которой поддерживается заданное разряжение. О герметичности объекта судят по интенсивности откачки из камеры.

При контроле методом аквариума контролируемое изделие помещают в прозрачную жидкость и следят за появлением пузырьков контрольного (или рабочего) газа в местах негерметичности изделия. При использовании воздуха и воды метод позволяет оценивать утечки порядка КГ5 — 10~6 Вт. При использовании водорода и спирта чувствительность повышается до 5 -10“8 Вт [29]. Если можно подсчитать число пузырьков, утечки, см3/с, оценивают по формуле Q = л</3и/6(, где t — время измерения, с; и — число пузырьков ; d — диаметр пузырьков, см. Давление р указывают в паспорте испытания. Метод аквариума с перегретой жидкостью отличается повышенной чувствительностью, обусловленной локальным кипением жидкости в местах утечки газа. Эбуллоскопический метод аквариума обеспечивает очень высокую чувствительность контроля утечек. Операция контроля включает двухступенчатый последовательный перегрев контрольной и индикаторной жидкостей.

Методы аквариума наиболее удобны и распространены для контроля малогабаритных изделий, а остальные рассмотренные методы — для крупногабаритных изделий и систем.

Испытания с помощью специальных контрольных сред и приборов — теме-

искателей. При контроле систем особо ответственного назначения используют приборы, регистрирующие весьма малую концентрацию индикаторных сред в потоке утечки. Большинство течеиска- телей регистрирует в месте дефекта интенсивность (мощность) потока утечек N = kQp, Вт (м3 • Па/с). Нормы негерметичности в указанных единицах трудно сопоставить с нормами в единицах расхода для гидравлических систем, поэтому они обычно являются лишь критериями приемных испытаний.

В течеискателе имеется преобразователь, вырабатывающий сигнал, зависящий от состава и состояния анализируемой индикаторной среды (пробного газа). Масс-спектрометрические газоанализаторы, например, способны регистрировать концентрацию индикаторных сред порядка 10"3 %.

Для контроля применяют следующие среды и течеискатели:

гелий, гелиево-воздушную или гелиево- азотную смесь и гелиевые течеискатели ПТИ-10. ПТИ-7, СТИ-11, МХ1104;

фреоны 12 и 22 в смеси газов и галоидные течеискатели ГТИ-6, ГТИ-3;

воздух и акустические течеискатели ТУЗ-2, ТУЗ-5М, АТ-1, АТ-2;

синтетические газы и течеискатели с магниторазрядными датчиками.

Высокую точность обнаружения утечек (до 10 14 Вт) обеспечивает метод накопления, при котором утечки пробного газа отводятся в специальную герметичную камеру с течеискателем [14].

Чувствительность контроля гелиевым течеискателем 107 — 10"13 Вт [28], течеискателем с магниторазрядными датчиками — 10"8 Вт.

Критерии подобия утечек. Общие для уплотнений всех видов соотношения, вытекающие из уравнений утечки, позволяют распространять результаты исследований уплотнений какого-либо типоразмера на уплотнения остальных видов. Основное назначение критериальных уравнений — анализ поведения уплотнения при изменении параметров эксплуатации (9, р, и, р) и размеров (В, I).

Поскольку утечки Q зависят от большого числа факторов и индивидуальных особенностей каждого образца, описать их универсальным уравнением Q = F (г, р, р, ...) практически невозможно. Такие уравнения приемлемы лишь для определения среднестатистических утечек, характерных для уплотнений данного вида.

В основных уравнениях утечки (1.28) -(1.43) для УН, УВ и УПС выделены эксплуатационные (р, г, р) и конструктивные (В, Г) параметры. Это позволяет отразить характерные особенности уплотнения в безразмерных функциональных коэффициентах 4х. Для УН 4х — функция формы микроканалов, для УВ и УПС 4х — функция формообразования зазоров при движении. Для диффузионного проницания 4х — функция свойств и состояния вещества. Таким образом, функция 4х — наиболее универсальная безразмерная характеристика герметичности уплотнения.

Для УН из уравнений (1.18), (1.20) и (1.36) следует пропорциональность Q периметру уплотнения В при одинаковых Др и р, т. е. для них применим критерий удельной утечки Q = Qi В. В широком диапазоне изменения размера В (до 2000 мм) необходимо учитывать влияние погрешностей формы мест установки уплотнений, вводя поправку (В} Во)":

Q=(Q/BHB/BoT. (1-55)

где и = 1 для активных уплотнений (эластомерных колец); и = 1,5 для прокладок и уплотнений периодического действия (затворов, клапанов и вентилей).

Более грубое приближение дает учет в уравнении (1.55) изменения вязкости р и давления р по сравнению с базовыми параметрами р0, ро-

о=6(А\п^(_рХ

В у Во / Р \Ро /

(1.56)(1.56)Уравнение (1.56) не учитывает свойства самоуплотнения активных уплотнений (эластомерных колец), смазывающей способности и коэффициента поверх-

(1.56)

(1.56)

ностного натяжения. Для активных уплотнений при жидкой среде можно считать, что б не зависит от р (s ~ 0).

Удельные утечки могут быть объемными Q, м3/(м-с) (утечки по периметру В = 1 м за время t = 1_ с) и массовыми Qm, кг/(м • с), причем б™ = рб, где р - плотность жидкости.

Сравнение утечек жидкостей и газов. Объемные удельные утечки газов Qr вследствие малой их вязкости значительно превышают утечки жидкостей б*: бг/бж to 1Q...103. Кроме того, бж ~ Рг - Pi; бг ~ Р1 - pi И б- не зависит от поверхностного натяжения. Установление эквивалента сравнения бг и бж через одинаковые микрозазоры всегда вызывает затруднения. Массовые удельные утечки бтж и б г различаются значительно меньше, так как плотность большинства газов р20 находится в пределах ОД • Ю"4 (гелий) — 2,2 • 103 (пропан) г/см3. Так, для воздуха р2о = = 1,29-10“3 г/см3, для пробных газов р20 як 10"3 г/см3. Отношения р/р, гсм"3мПа~1с“1, для жидкостей и газов близки (для рабочих жидкостей 0,02... 1,0, для газов 0,05...0,1), поэтому при прочих равных условиях удельные массовые утечки для жидкостей и газов также близки [бтж = Ю"6...2,5-10“5, Qr = 10"10...Ю"4 г/(м с)].

Кроме того, для большинства жидкостей р = 0,7...1,2 г/см3, поэтому бтж to бж. Следовательно, при сравнении удельных утечек можно применять единую шкалу для бж> мм3/(м ■ с) и Qr, мг/(м • с).

Диффузионная проницаемость [см. уравнение (1.34)] пропорциональна площади мембраны Х. Удельные объемная 6s и массовая 6™s проницаемости связаны соотношением б«$ = P6s- Если известно значение 6so при базовой температуре То (обычно То = 273 + 60 = = 333 К), площади $0 и толщине /0 мембраны, то при Т, S, I [35]

д Л S l0 илт

&-2»5Г7“ркпГ’ ( |

где U — энергия активации, Дж/моль;

ДТ = Т- То, К.

Коэффициент диффузии для полимеров слабо зависит от давления [3,35], поэтому последнее можно не учитывать при определении удельного диффузионного расхода жидкостей. Концентрация газов пропорциональна давлению, поэтому приведенный к нормальным условиям объем газа, продиффундировавше- го через мембрану за время Г,

К = РАрЖ (1.58)

где Р — газопроницаемость, м2/(с • Па).

По степени возрастания газопроницаемости материалы располагаются в ряд: бумага, кожа, керамика, жидкости, эластомеры, пластмассы, стекла, металлы.

Удельные утечки [см. уравнение (1.41)] через УПС характеризуются объемом К отнесенным к площади штока S = itDLn, контактировавшей с уплотнением за п двойных ходов. Если известны утечки Ко при р0, t>o, Цо, то утечки при параметрах р, г. р рассчитывают по формуле (1.43).

Классы негерметичности уплотнений. Сравнительный анализ удельных утечек через уплотнения различных групп позволил систематизировать статистические данные [35, 52] и на их основе сделать следующие выводы.

Утечки в большой партии уплотнений одного вида характеризуются некоторой функцией распределения р (Q) со средним значением бм и определенными пределами отклонения (рис. 1.37, а). Удельные утечки Q, Qs, V характеризуются аналогичными функциями- распределения и значениями бм, б$м, VM.

Сопоставление кривых распределения утечек выявляет диапазоны утечек, характерные для каждой группы уплотнений. Наименьшие утечки возникают в уплотнениях с диффузионной проницаемостью, наибольшие — в щелевых уплотнениях. Средние для каждой группы утечки бм образуют определенную последовательность (рис. 1.37, б, в).

Рис. 1.37. Функции распределения утечек для различных уплотнений:Рис. 1.37. Функции распределения утечек для различных уплотнений:/—диафрагмовых; 2 — УН; 3 — эластомерных УПС; 4 — манжетных УВ; 5 — торцовых УВ; 6 — набивочных УПС; 7 — УПС, щелевых компенсированных УВ; 8 — бесконтактных УВ и УПС/—диафрагмовых; 2 — УН; 3 — эластомерных УПС; 4 — манжетных УВ; 5 — торцовых УВ; 6 — набивочных УПС; 7 — УПС, щелевых компенсированных УВ; 8 — бесконтактных УВ и УПСПри этом утечки рассматривают в характерном для каждого вида уплотнений диапазоне скоростей и давлений.

Рис. 1.37. Функции распределения утечек для различных уплотнений:

Рис. 1.37. Функции распределения утечек для различных уплотнений:

/—диафрагмовых; 2 — УН; 3 — эластомерных УПС; 4 — манжетных УВ; 5 — торцовых УВ; 6 — набивочных УПС; 7 — УПС, щелевых компенсированных УВ; 8 — бесконтактных УВ и УПС

/—диафрагмовых; 2 — УН; 3 — эластомерных УПС; 4 — манжетных УВ; 5 — торцовых УВ; 6 — набивочных УПС; 7 — УПС, щелевых компенсированных УВ; 8 — бесконтактных УВ и УПС

Для уплотнений разных групп утечки находятся в очень широких пределах (рис. 1.37, в), поэтому шкала классов негерметичности выбрана нелинейной [35, 52] (по закону геометрической прогрессии). Для бесконтактных уплотнений кривые распределения р (б) симметричны. Для уплотнений остальных групп характерны несимметричные кривые р(б) с максимумом, смещенным к нижнему пределу. Такая закономерность является результатом стремления добиться при изготовлении продукции минимума утечек после монтажа и отладки уплотнений. Изделия с утечками свыше допускаемых при приемо-сдаточных испытаниях бракуют и направляют на доработку.

Утечки через уплотнения во время эксплуатации характеризуются определенной нестабильностью (рис. 1.38), возрастая в экстремальных режимах. В процессе эксплуатации вследствие старения, изнашивания и коррозии материала, деформации посадочных мест утечки постепенно увеличиваются. Когда они превышают допускаемые значения,

уплотнения заменяют. При рассмотрении большого числа уплотнений случайные отклонения утечек также подчиняются определенной закономерности. Обычно случайные максимальные отклонения утечек достигают значений утечек следующего класса негерметичности. Например, для эластомерных УН в обычных условиях б «0,0005...0,005 мм3/(м - с), в режиме динамических нагрузок Q « 0,005...0,05 (подтекание

Рис. 1.38. Утечки при длительной работе трех торцовых уплотнений (D = 45 мм; пара трения сталь — бронза; р = 0,05 МПа, масло АУ, п = 1500 об/мин)

Таблица 1.8

Классы негерметичности уплотнении и соответствующие нм удельные утечки

Класс

Удельная утечка

Критерий качественной (визуальной) оценки

Характерные типы уплотнений

2, мм3/(м-с)

V, СМ3/М2

Qs. мм3/(м2.с)

0-0

0-1

До 10~5 Св. 10-5 до 10-4

-

До Ю"5

Св. 10-5 до 10-3

Абсолютная герметичность

Металлические сильфоны, мембраны полимерные

1-1

1-2

» 10-4»510—4 » 5 10-4 » 5 10—3

До ИГ3

» 10—3»510—3

» 510~3 » 5 10 2

Слабый запах, визуально невидимое отпотевание

Мембраны резиновые, рукава, УН эластомерные

2-1

2-2

» 510-3» 510~2 » 510-2» 5-10—1

Св. 10-3 до 10-2 » 10-2 » 210-1

» 5-Ю-2» 510-1

Подтекание без каплеобразования

УН в тяжелых режимах. эластомерные У ПС и УВ

3-1

3—2

» 5 10-1 » 2,5

» 2,5» 10

»210-1 » 1

» 1» 5

—

Подтекание скаплеобра- зованием

УПС в тяжелых режимах, УВ манжетные, торцовые, набивные

4—1

» 10» 50

» 5» 50

Капельные утечки

УВ торцовые, УПС и УВ на- бивочные, щелевые — компенсированные

4-2

»50»5102

-

Частые капли

5

6

»5102 » 103 » 103

-

-

Непрерывные утечки

УПС, УВ бесконтактные

Примечание. Для газовых сред вместо Q критерием является массовая удельная утечка мг/(м ■ с), вместо Q, - Q„, мг/(м2 • с).

без каплеобразования), при наличии мелких рисок и грязи в канавках Q * «0,5... 2,5 мм3/(м-с) (подтекание с кап- леобразованием).

Для уплотнений различных групп в соответствии с удельными утечками Q, Qs и V установлены классы негерметичности (табл. 1.8).

Количественная оценка утечек при эксплуатации изделий, как правило, затруднена или невозможна, поэтому для каждого класса негерметичности уплотнений для жидких сред установлен

также критерий качественной — визуальной оценки (см. табл. 1.8).

При оценке герметичности уплотнений для газовых сред качественными критериями являются массовые удельные утечки Q™ и Q^s-

Нормы негерметичности. Для трубопроводной запорной арматуры (клапанов, вентилей и т. п.) применяют уплотнения периодического действия, многократно находящиеся в положениях «закрыто — открыто». Для таких уплотнений характерно большое влияние на

Рис. 1.39. Допускаемые утечки воздуха (а) и воды (б) для трубопроводной арматуры по ГОСТ 9544 — 75 (для D, < 100 мм — сплошные линии, для D, > 100 мм — штриховые линии)

Рис. 1.40. Кривые изменения утечек при эксплуатации уплотнения

герметичность погрешности формы седла и клапана, чаще всего изготовляемых из металла. Допускаемые утечки Q, см3/мин, устанавливает ГОСТ 9544 — 75 в зависимости от условного диаметра Dy, мм, трубопровода:

для воздуха Q = KnD3/2 (р + 2);

для воды Q = KmDy12, где К — коэффициент, зависящий от степени опасности утечек среды; п = = 7,5 ■ 10"4, т = 510"5 для вентилей; п = 2,6 ■10“3, т = 1,6-10“4 для остальной арматуры. ГОСТ 9544—75 рекомендует три класса негерметичности: I — арматура взрывоопасных и токсичных сред (К = 1); II — арматура пожароопасных сред (К =2); III - арматура для остальных сред (К = 10).

Нормы Q заданы табличным способом для Z)y = 3...400 мм для вентилей и Dy = = 3...2000 мм для остальной арматуры; для газов р = 0,1...20 МПа. Примеры допускаемых утечек воздуха для вентилей класса I показаны на рис. 1.39, а; утечек воды для вентилей разных классов (I — III) — на рис. 1.39,6.

Норма класса I по ГОСТ 9544—75 для воды соответствует примерно классу 3—1 (см. табл. 1.8), а зависимости Q(p) и Q (D) — уравнению (1.56) при и = 1,5 и s « 1.

Нормы негерметичности для УВ. Для манжет согласно ГОСТ 8752 — 79 утечки находятся в пределах классов от 2—1 до 3—1 (см. табл. 1.8). Такие же нормы уста-

новлены для уплотнений валов большинства гидромашин, например, для насосов и гидромоторов (ГОСТ 13823 — 78).

Нормы негерметичности УПС. Для резиновых манжет гидравлических устройств обычнорегламентируют предельные значения Гтах, см3/м2 [см. рис. 1.40 и уравнения (1.42) — (1.43)] после наработки Lma„ км. ГОСТ 14896 — 84 устанавливает в конце ресурса удельные утечки Итах = 0,2 _см3/м2. Начальные удельные утечки Го не регламентированы и обычно находятся в пределах классов 2—1...2 —2 (см. табл. 1.8).

Для резинотканевых шевронных манжет ГОСТ 22704—77 устанавливает в конце ресурса удельные утечки Гтах = = 0,5 см3/м2 (в процессе работы приходится периодически подтягивать нажимную буксу).

Для УПС с фторопластовыми кольцами и гофрированной пружиной ГОСТ 23817 — 79 устанавливает Q = = 50 см3/мин при Др = 21 МПа и D = 100 мм. Соответствующие удельные утечки при Др = 1 МПа Q = = 125 мм3/(м ■ с) характерны для класса 4—2. Такие УПС можно применять только для внутренних полостей.

Для металлических разрезных колец гидросистем станков согласно ОСТ 2 А54-1 — 72 установлена предельная утечка Q = 500 мм3/(м • с), что соответствует классу 4—2 при Др = 1 МПа. Их применяют для герметизации внутренних полостей цилиндров.

Пример 1. Определить диффузионные потери через диафрагму (см. рис. 1.6) площадью S = 100 см2 и толщиной I = 0,2 см, отделяющую полость с маслом от атмосферы. Время й и температура 8,: Г i = 5 лет при 81 = 20 °C; ti = 1000 ч при Si = 60 °C; 1з = 100 ч при 83 = = 90 °C.

Для расчета используем формулу Q$ = DS/1, в которой коэффициент диффузии О20 = = 10“10 см2/с. По формуле (1.57) находим D6O = 121O’10 и D9O=4O-1O'10 см2/с. Подставив значения D, S и I, получим объем утечки И, К2, Из за время соответственно ti = 15,8 • 107 с, 12 = 3,6-106 с; 13 = 3,6-105 с по формуле

И = ед:

vt = (10'10• 102/0,2) 15,8■ 107 = 7,8 см3;

Иг = (12 • 10'10 ■ 102/0,2) 3,6 • 106 = 2,2 см3;

И3 = (40 -10'10 • 102/0,2) 3,6 ■ 105 = 0,7 см3.

Общие потери жидкости за 5 лет эксплуатации И= 10,7 см3.

Пример 2. Определить объем утечек через уплотнение штока. В качестве уплотнения использовано резиновое кольцо с протектором (см. рис. 1.36), периметр которого В = nD = 0,1 м. Ход штока L = 0,1 м, скорость скольжения it = 0,05 м/с, давление р = = 10 МПа, вязкость масла щ = 22 мПа • с. При нормальной температуре утечки соответствуют классу 2—2 (см. табл. 1.8): И20 = = 0,05 см3/м2.

Определим объем утечек за один (ИО и 104 (1) двойных ходов при температуре 20 °C:

Hi = 0,5kDLV= 0,5 • 0,1 • 0,1 • 0,05 =

= 2,5 • 10'4 см3; И= Ht • 104 = 2,5 см3.

Объем утечек при температуре —20 °C и скоростях скольжения it = 0,05 м/с и г2 = = 0,5 м/с вычислим по формулам (1.41) — (1.43). При изменении ц и г в уравнениях меняется только член |/цгГг, поэтому для Ц-зо = = 130 мПа-с:

при it = 0,05 м/с

И-20И-20у Т/н-юП = 25 1 /130 0,05

И-20

И-20

20 [ P20V1’ У 22-0,05

= 6,1 см3;

при г2 = 0,5 м/с

И-20 = И20 1 /ib2^2 = 2,5

1/130-^5 |/ 22 • 0,051/130-^5 |/ 22 • 0,051 820^1= 19,1 см3.

1/130-^5 |/ 22 • 0,05

1/130-^5 |/ 22 • 0,05

Пример 3. Определить вероятные утечкн Q в партии манжетных уплотнений УВ для вала диаметром D = 75 мм: в начале эксплуатации (со = 150 с'1; р = 0,1 МПа; масло) при 8 = 20...50°C и 8 = —40°C. Найти утечки, при которых уплотнения подлежат замене.

Выбираем среднестатистические нормы удельных утечек в соответствии с табл. 1.8 — класс 2 — 2: С ^ 0,5 мм3/(м • с). При О = 75 мм В = лО = л • 0,075 = 0,235 м. Тогда Q $ BQ = = 0,117 мм3/с, или 0,42 см3/ч. Для нового изделия назначаем допускаемые утечки Q = 0,5 см3/ч.

При предельно низкой температуре (8 = = — 40 °C) полагаем Q по нормам следующего класса 3—1, учитывая тяжелые условия работы резины при запуске УВ: Q ^ ^ 2,5 мм3/(м • с). Следовательно, Q < 2,1 см3/ч. Замену УВ планируем_при увеличении Q до норм класса 3—2: Q = 10 мм3/(м-с) — капельные утечки; Q = 8,4 см3/ч.

Комплексные критерии качества уплотнений [35, 52, 100]. Для объективного сравнения эксплуатационных преимуществ уплотнений различных групп необходимы критерии, оценивающие комплекс качественных показателей. Важнейшими из них являются: герметичность (Q для УВ и УН, V для УПС), наработка (1, ч, для УВ; L, км, для УПС), диапазон рабочих температур Д8 = 8, — 82 (для УН вместо наработки берут срок эксплуатации в годах).

По аналогии с парами трения для уплотнений подвижных соединений применяют следующие критерии:

условная удельная мощность на уплотняющем элементе N = ри, Вт/м2;

условная удельная работа до предельного износа уплотнителя А = 3,6 Nt (для У В) или А = pL (для УПС), Дж/м2; _

удельные мощность потерь Nj = [N, Вт/м2, и работа А$ = fA, Дж/м2.

Требование высокой герметичности находится в противоречии с требованием наибольшей наработки уплотнения. Ресурс высокогерметичных уплотнений обычно ниже вследствие более интенсивного изнашивания и трения. Для одновременного учета^сновных показателей Q, А, Д9 (или V, А, А9) предложен комплексный критерий — наработка на единицу утечки [35, 52, 100], достаточно

Таблица 1.9

Режимы эксплуатации и критерии сравнения для уплотнений различных групп

Тип

Уплотнения

Режим

Среда

Наработка t, ч (L, км)

Класс негерметичности

е, мм3/(м ■ с) (К см3/м2)

А, Дж/мм2

с = 3,6 4 е

у» м/с

Ад, МПа

УВ

Торцовые механические

2,5

2,5

2,5

0,05 0,3 0,3

Масло Стирол Перхлорвинил

15000

7200

7200

3-1

3-2

4-1

2,5

10

50

6,7- 106

2- 107

2- 107

107

7- IO®

1,5- 106

УВ

Манжета резиновая

10

5

5

0,05 0,01

0,01

Масло

1000

2500

2500

3-1

2-2

3-1

2,5

0,5

2,5

1,8- 106

4,5- 105

4,5- 105

2,6- 106

3,2- 106

6,5- 105

УПС

Манжета резиновая с цротектором

0,3

0,1

20

20

(150)

(500)

2-2

3-1

(0,1) (0,5)

3,6- 106

107

1,1-108

7,2- 107

Манжета шевронная (комплект 4 шт.)

0,3

20

(1500)

3-2

(2,5)

3- 107

4,3- 107

УПС

Манжета резиновая

0,5

20

Масло

(200)

3-1

(0,5)

4- №

3- 107

Кольца поршневые чугунные (комплект 4 шт.)

5,0

10

25000

4-2

500

4,5- 10»

3,2- 107

(1.60)(1.60)

(1.60)

(1.60)

объективно отражающий совершенство подвижных уплотнений:(

AS CdAH ~ AS y^HL^Гоо] ~ 100 ZjQM’о_1 0

= ^У^У »”*

100 / V(m)f

где AS/100 — отношение, характеризующее температурный диапазон работоспособности уплотнения; А (т). Q ^ — текущие значения показателей; т = = t/tmax для УВ, т = L/Lmax для УПС (tmax, Cmax — предельная наработка).

Увеличение утечек (рис. 1.40) от начального значения Qo (й>) до максимального gmax (й,ах) по мере относительной наработки т для качественно изготовленного уплотнения подчиняется степенной зависимости

е = ёо + Аё^л;Й= Йо + АЙш"

На кривых Q(m) или У(т) можно выделить два участка (соответственно две стадии работы уплотнения):

I — нормальное малоинтенсивное изнашивание и-Незначительное увеличение утечек (Q, « Qo, й * й);

_ II — интенсивное увеличение утечек до Qmax (^ДоИтах), при котором_уплотнение подлежит замене (значения Qmax для УВ и йпах для УПС регламентированы стандартами на уплотнения).

При неблагоприятных условиях эксплуатации (при нарушении режимов смазки) в уравнении (1.60) п « 3 и m « 0,5; при благоприятных условиях (жидкостная смазка) п > 6 и т «0,7...0,8. После упрощений уравнения (1.59) соответственно для УВ и УПС принимают вид

, AS Я , Д9 Я

с = к16о 7Г"; с юо-р"’

Vmaxrmax

где к — коэффициент интенсивности уве

личения утечек за время tmax (Lmax).

Значения критерия с при среднестатистических показателях режима (г, р),

наработке tmax(Lmax) и удельной утечке Стах (Кпах) даны в табл. 1.9.

Для приближенной оценки критерия с коэффициент к = mA/Q0 + (1 — m) А/ /Стах, где для работы уплотнения на стадии I принимают Со (или Уо) по классу 2—2, m = 0,5...0,8 (при т=2/3 к = 3,6).

Глава 2

МАТЕРИАЛЫ УПЛОТНЕНИЙ И РАБОЧИЕ ЖИДКОСТИ ГИДРОСИСТЕМ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ

Рис. 2.1. Строение полимеров:а — линейные; б — разветвленные; в — сетчатые; г — блок-сополимеры: д — привитые сополимерыРис. 2.1. Строение полимеров:а — линейные; б — разветвленные; в — сетчатые; г — блок-сополимеры: д — привитые сополимеры

Рис. 2.1. Строение полимеров:

а — линейные; б — разветвленные; в — сетчатые; г — блок-сополимеры: д — привитые сополимеры

Рис. 2.1. Строение полимеров:

а — линейные; б — разветвленные; в — сетчатые; г — блок-сополимеры: д — привитые сополимеры

. Полимерные уплотнительные материалы. Определении, основные физико-механические свойства

Полимерами называют высокомолекулярные соединения, в которых регулярно чередуются большое число атомных группировок, соединенных химическими связями в полимерную цепь — макромолекулу. Исходное вещество называют мономером, многократно повторяющиеся в цепи группировки R и Р — составными звеньями; число п звеньев в цепи — степенью полимеризации; группы, находящиеся на конце цепи,—концевыми группами. Молекулярная масса полимера М равна произведению молекулярной массы Mr звена на степень полимеризации п: М = пМк.

Название полимеров обычно состоит из названия мономера с приставкой «поли» (например, продукт полимеризации этилена - полиэтилен [—СН2— —СН2—]„). Структурные формулы некоторых звеньев полимеров даны в табл. 2.1.

Механические свойства полимерных материалов обусловлены строением их макромолекул и характером межмолекулярных связей. По структуре макромолекул полимеры подразделяют на следующие основные классы.

Линейные полимеры имеют простое цепное строение (рис. 2.1, а).

Разветвленные полимеры представляют собой длинную главную цепь с боковыми ответвлениями (рис. 2.1,6). Сетчатые (сгиитые) полимерные ма-

Наименование и строение звеньев полимеров по ГОСТ 24888 -81НаименованиеСтроение звенаНаименованиеСтроение звенаполноекраткоеполноекраткоеПолиэтиленПЭ—сн2—сн2—ПолитетрафторэтиленПТФЭF FI 1-С-С- 1 1 F FПолипропиленПП—сн2—сн—сн3Политрифтор- хлорэтиленПТФХЭF F 11-С-С- 1 1F С1ПолистиролПС—сн2—сн—С6Н5П о лиметилме- такрилатПММА-сн2-с-1 СОО-СНзПоливинилхлоридпвх—сн2—сн—С1ПолиамидПАН ОПоливинилацетатПВАЦ-сн2-сн- оО=С СН3ПолиимидПИ1-С-С=О1> N--С-С=оПолиакрилонит- рилПАКН—сн2—сн—CNПолиуретанПУР—N-C—О—1 II н оПоливинилиденфторидПВДФF-сн2-с- 1 FП олиформаль- дегидПФ—сн2—о—Наименование и строение звеньев полимеров по ГОСТ 24888 -81НаименованиеСтроение звенаНаименованиеСтроение звенаполноекраткоеполноекраткоеПолиэтиленПЭ—сн2—сн2—ПолитетрафторэтиленПТФЭF FI 1-С-С- 1 1 F FПолипропиленПП—сн2—сн—сн3Политрифтор- хлорэтиленПТФХЭF F 11-С-С- 1 1F С1ПолистиролПС—сн2—сн—С6Н5П о лиметилме- такрилатПММА-сн2-с-1 СОО-СНзПоливинилхлоридпвх—сн2—сн—С1ПолиамидПАН ОПоливинилацетатПВАЦ-сн2-сн- оО=С СН3ПолиимидПИ1-С-С=О1> N--С-С=оПолиакрилонит- рилПАКН—сн2—сн—CNПолиуретанПУР—N-C—О—1 II н оПоливинилиденфторидПВДФF-сн2-с- 1 FП олиформаль- дегидПФ—сн2—о—Таблица 2.1Таблица 2.1териалы построены из длинных цепей, соединенных поперечными химическими связями в единую пространственную структуру (рис. 2.1, в). Наиболее характерным примером сетчатых полимерных материалов являются эластомеры — вулканизованные каучуки, основа резин. Молекулы поперечно сшитых полимерных материалов не могут неограниченно перемещаться одна относительно дру

Наименование и строение звеньев полимеров по ГОСТ 24888 -81

Наименование

Строение звена

Наименование

Строение звена

полное

краткое

полное

краткое

Полиэтилен

ПЭ

—сн2—сн2—

Политетрафторэтилен

ПТФЭ

F F

I 1

-С-С- 1 1 F F

Полипропилен

ПП

—сн2—сн—

сн3

Политрифтор- хлорэтилен

ПТФХЭ

F F 11

-С-С- 1 1

F С1

Полистирол

ПС

—сн2—сн—

С6Н5

П о лиметилме- такрилат

ПММА

-сн2-с-

1 СОО-СНз

Поливинилхлорид

пвх

—сн2—сн—

С1

Полиамид

ПА

Н О

Поливинилацетат

ПВАЦ

-сн2-сн- о

О=С СН3

Полиимид

ПИ

1

-С-С=О

1> N-

-С-С=о

Полиакрилонит- рил

ПАКН

—сн2—сн—

CN

Полиуретан

ПУР

—N-C—О—

1 II н о

Поливинилиденфторид

ПВДФ

F

-сн2-с- 1 F

П олиформаль- дегид

ПФ

—сн2—о—

Наименование и строение звеньев полимеров по ГОСТ 24888 -81

Наименование

Строение звена

Наименование

Строение звена

полное

краткое

полное

краткое

Полиэтилен

ПЭ

—сн2—сн2—

Политетрафторэтилен

ПТФЭ

F F

I 1

-С-С- 1 1 F F

Полипропилен

ПП

—сн2—сн—

сн3

Политрифтор- хлорэтилен

ПТФХЭ

F F 11

-С-С- 1 1

F С1

Полистирол

ПС

—сн2—сн—

С6Н5

П о лиметилме- такрилат

ПММА

-сн2-с-

1 СОО-СНз

Поливинилхлорид

пвх

—сн2—сн—

С1

Полиамид

ПА

Н О

Поливинилацетат

ПВАЦ

-сн2-сн- о

О=С СН3

Полиимид

ПИ

1

-С-С=О

1> N-

-С-С=о

Полиакрилонит- рил

ПАКН

—сн2—сн—

CN

Полиуретан

ПУР

—N-C—О—

1 II н о

Поливинилиденфторид

ПВДФ

F

-сн2-с- 1 F

П олиформаль- дегид

ПФ

—сн2—о—

Таблица 2.1

Таблица 2.1

гой, поэтому применительно к ним понятие макромолекулы теряет смысл.

Сополимерами называют продукты полимеризации двух или нескольких видов исходных мономеров, образующих линейные или разветвленные макромолекулы. Линейные сополимеры, в которых звенья каждого мономера располагаются достаточно длинными блоками (рис. 2.1, г) называют регу-

лярными блок-сополимерами. Нерегулярными линейными сополимерами называют полимеры, в которых звенья R, Р беспорядочно расположены в цепи макромолекулы. Разветвленные сополимеры, главная цепь которых состоит из одних звеньев (R), а боковые ответвления — из других (Р), называют привитыми сополимерами (рис. 2.1, д). Сочетанием положительных свойств отдельных компонентов блок-сополимеров и привитых сополимеров могут быть получены новые ценные свойства (например, ударопрочность в сочетании с прозрачностью).

Мономерные звенья могут чередоваться в макромолекуле упорядоченно или неупорядоченно, что существенно влияет на свойства полимера. Большинство полимеров построено из несимметричных мономерных группировок, в которых в зависимости от расположения атомных группировок выделяют «голову» и «хвост». В регулярных полимерах наблюдается монотонное чередование звеньев, соединенных по типу либо «голова к хвосту», либо «голова к голове» с обозначением цифрами положения групп атомов. Например, тип соединения звеньев

х

СН2 ( СН СН21234

х

—СН2- С СИ сн2—1234

называют «голова к хвосту, положение

». Тип соединения

х

I

—СН2—СН=С—СН2—

4321

х

сн2 с сн сн2

1234

называют «голова к голове, положение 1.1».

Физические состояния полимеров. В зависимости от температуры и механических воздействий полимеры могут находиться в жидком или твердом агрегатном состоянии, аморфном или кристаллическом фазовом состоянии. Существует структурное и термодинамическое понятие фазы. С точки зрения структуры фазы различаются порядком во взаимном расположении молекул, от которого зависит энергия межмолекулярного взаимодействия и подвижность элементов структуры. В жидком фазовом состоянии (см. подразд. 1.2) находятся жидкости и аморфные (стеклообразные) твердые тела. Для них характерно упорядоченное расположение частиц на расстояниях, соизмеримых с размерами молекул (о такой структуре говорят: «имеет ближний порядок»). Для кристаллического состояния полимеров характерно наличие дальнего порядка в расположении их макромолекул. Структуру стеклообразных полимеров рассматривают как переохлажденное структурно-жидкое состояние. Оно термодинамически не стабильно, но практически вполне устойчиво. Некоторые полимеры отличаются способностью перехода из этого состояния в частично кристаллическое со смешанной структурой.

В термодинамике фазой называют совокупность изолированных поверхностью раздела гомогенных частей гетерогенной системы, каждая из которых имеет определенные термодинамические свойства. Переходы из одного фазового состояния в другое связаны с изменением взаимного расположения молекул и термодинамических свойств вещества.

Важнейшей характеристикой полимеров являются деформационные свойства, по которым их состояние подразделяют на вязкотекучее, высокоэластическое и аморфное (стеклообразное).

Примеры застеклованных полимеров (термопластов): полиметилметакрилат

(ПММА), полистирол (ПС), ударопрочный полистирол, полиимид (ПИ), поливинилхлорид (ПВХ).

Примеры частично кристаллических полимеров (термопластов): полиэтилен (ПЭ), полипропилен (ПП), полиамиды (ПА), полиформальдегид, политетрафторэтилен (ПТФЭ).

Пример термореактивных высокоэластичных полимерных материалов: вулканизованные каучуки — эластомеры, композиции на основе смол.

Границы между физическими состояниями (9, р) называют фазовыми переходами. Температура стеклования 9С характеризует переход от стеклообразного состояния к высокоэластическому, температура плавления 9ПЛ — от кристаллического к вязкотекучему (расплаву), температура кристаллизации 9кр — от расплава к частично кристаллическому, температура текучести 9Т — от высокоэластического к вязкотекучему. Температуры фазовых переходов зависят от давления и характера нагрузок.

Полимерные материалы. Полимеры используют в производстве пластмасс, эластомеров, клеев, волокон. Пластмассой называют материал на основе полимера, способный формоваться (в вязкотекучем или высокоэластическом состоянии) и затем сохранять при эксплуатации приданную форму. Часто пластмассы являются композицией полимера с ингредиентами — добавками, которые вводят в композицию для придания материалу требуемых свойств и облегчения переработки. В условиях эксплуатации пластмассы находятся в стеклообразном или частично-кристаллическом состоянии и имеют свойства твердых тел.

Термореактивные полимерные материалы (реактопласты) образуют пространственные сетки за счет поперечных химических связей между соседними макромолекулами. Эти связи могут быть образованы непосредственно между атомами соседних макромолекул или с помощью различных соединений, спе- пиально вводимых в систему. В резино

вой промышленности реакции структурирования («сшивания») называют вулканизацией, а вводимые в систему вещества — вулканизующими агентами. В производстве пластмасс применяют соответственно термины отверждение и отвердители. Такие реакции могут протекать при нагревании или при действии ионизирующих излучений. Кроме эластомеров к термореактивным полимерным материалам относят, например, композиционные материалы — смолы.

Термопласты — полимеры и материалы на их основе, которые пластифицируются при нагревании (что позволяет выполнять прессование, иногда сварку) и восстанавливают начальные свойства при охлаждении ниже температуры плавления. Свойства термопластов имеют аморфные (например, полистирол) и частично кристаллические (например, полиэтилен) полимеры.

Механические характеристики. Для конструкционных материалов в первую очередь необходима информация об их деформационных свойствах. Основные технологические и эксплуатационные свойства полимеров в широком температурном интервале оценивают методом термомеханических кривых, предложенным А. П. Александровым и Ю. С. Ла- зуркиным для периодических деформаций (1939 г.), В. А. Каргиным и Т. И. Со- головой для статических деформаций (1949 г.). На рис. 2.2 приведены термо-

Рис. 2.2. Термомеханические кривые для полимеров :

1 — эластомеров; 2 — аморфных линейных; 3 — кристаллизующихся

механические кривые — зависимости относительной деформации е от температуры 9. При9 < 9свсе полимеры находятся в стеклообразном или частично кристаллическом состоянии и деформируются аналогично обычным твердым телам. При 9 меньше температуры хрупкости 9хр полимеры подобны хрупким металлам и стеклам. Переход в область высокоэластичности при 9 > 9С сопровождается уменьшением модуля на два - три порядка, увеличением температурного коэффициента линейного расширения а и изменением других теплофизических параметров (и, с, X). Высокоэластические деформации (eBJ1 » еу) имеют явно выраженный релаксационный характер. Температура стеклования пластмасс 9С2 обычно выше 80 °C, поэтому в большей части эксплуатационного диапазона они находятся в стеклообразном состоянии (кривая 2) и лишь при повышенных температурах (9 = = 100... 150 °C) становятся сначала высокоэластичными, затем (9 > 9Т) вязкотекучими. Кристаллизующиеся полимеры (кривая 3) при 9 < 9™ находятся в структурно и агрегатно твердом состояниях, однако вследствие наличия в них некоторой доли аморфного вещества на кривой 3 заметна область 9сз дополнительного повышения жесткости.

Для аморфных полимеров и эластомеров характерно практически одинаковое деформационное поведение при нагревании и охлаждении. Фазовые переходы кристаллизующихся полимеров при нагревании (9Ш,) и охлаждении (9кр) происходят при различных температурах. В зависимости от скорости охлаждения они могут кристаллизоваться при 9кр < 9™,, а при быстром охлаждении перейти из вязкотекучего состояния в стеклообразное (кривая 33-

Эластомеры практически во всем диапазоне эксплуатационных температур (—50... +120 °C) находятся в высокоэластическом состоянии (кривая 1\ так как их температура стеклования 9С = — 25... — 70°C (для разных типов). Термохимическое разложение эластоме-

Рис. 2.3. Температурные зависимости модуля упругости полиуретанов с различной температурой стеклования:

/ - 9с1 = -15 °C; 2 - Sc2 = -45 °C

ров наступает при температуре 92 = = 150...300°C, которая меньше температуры 9Т. На рис. 2.3 показаны кривые изменения модуля высокоэластичности эластомеров (полиуретанов) в широком диапазоне температур.

Следует заметить, что температуры 9лл, 9кр и 9С, соответствующие фазовым переходам полимеров, являются усредненными, поскольку кроме температуры на фазовые переходы влияют давление и характер нагружения.

3 Под ред. А. И. Голубева и Л. А. Кондакова3 Под ред. А. И. Голубева и Л. А. КондаковаМеханические характеристики кристаллизующихся и аморфных полимеров. При малых напряжениях о и деформациях е структура этих полимеров не изменяется и деформационные свойства аналог ичны свойствам обычных твердых тел. При больших напряжениях в полимерах происходят качественно новые явления — вынужденно-эластическая деформация и разрушение. Если п > ов (св - предел вынужденной эластичности), в структуре полимера происходит рекристаллизация с образованием ориентированных в направлении деформации кристаллов. Вынужденная эластичность (другие термины — холодное течение, псевдотекучесть) проявляется у кристаллических полимеров при 9 < 9ПЛ, у аморфных при 9 < 9С и характеризуется обратимостью вынужденных больших деформаций. Все основные механические характеристики твердых полимеров имеют релаксационную природу. Зависимость е = а/£ (при с < св) для полимеров отличается существенным измене-

3 Под ред. А. И. Голубева и Л. А. Кондакова

3 Под ред. А. И. Голубева и Л. А. Кондакова

Рис. 2.4. Зависимость напряжения от деформации при одноосном растяжении полимеров:1 — кристаллического; 2 — аморфногоРис. 2.4. Зависимость напряжения от деформации при одноосном растяжении полимеров:1 — кристаллического; 2 — аморфногоРис. 2.6. Зависимости напряжения от деформации при разных скоростях деформирования Ё = de.]dt винипластаРис. 2.6. Зависимости напряжения от деформации при разных скоростях деформирования Ё = de.]dt винипластанием модуля Е при изменении скорости деформирования Ё = dz/dt, температуры 9 и гидростатического давления р0. Этот модуль называют эффективным. На рис. 2.4 показаны диаграммы о(е) одноосного растяжения с постоянной скоростью при 9хр < 9 < 9С для кристаллических и застеклованных аморфных полимеров. Кривым 0Л1 и ОЛ2 при а < ов соответствует обратимая упругая деформация еу = о/Е. Горизонталь- ному участку, кривой 1, соответствует возникновение на образце местного сужения — «шейки», постепенно распространяющейся на всю длину образца. Кривая 2 имеет экстремум (ов2), соответствующий развитию в образце вынужденной эластичности, причем участок В2С2 отражает формирование шейки, С2О2 — распространению ее на всю длину образца, D2F2 — деформации образца уменьшенного сечения.

Рис. 2.4. Зависимость напряжения от деформации при одноосном растяжении полимеров:

1 — кристаллического; 2 — аморфного

Рис. 2.4. Зависимость напряжения от деформации при одноосном растяжении полимеров:

1 — кристаллического; 2 — аморфного

Рис. 2.6. Зависимости напряжения от деформации при разных скоростях деформирования Ё = de.]dt винипласта

Рис. 2.6. Зависимости напряжения от деформации при разных скоростях деформирования Ё = de.]dt винипласта

Зависимость ав(9) показана на рис. 2.5.

Модуль Е увеличивается с увеличением скорости деформирования (рис. 2.6) и уменьшается с повышением температуры (рис. 2.3 и 2.7).

Рис. 2.5. Температурная зависимость напряжения для полимеров

Реологические и прочностные свойства полимеров существенно зависят от гидростатического давления р0, поэтому их характеристики даже при простом растяжении отличаются от характеристик при простом сжатии.

Для застеклованных и частично кристаллических полимеров Е = 0,5...9 ГПа, коэффициент Пуассона ц* «0,35 (полистирол); относительное удлинение при разрыве ez = 2... 10% (полиметакрилат), 15 — 100% (полиэтилен низкого давления), 200— 400% (фторопласт-4).

Механическая прочность и долговечность. Разрушающее напряжение определяют обычно при разрыве образца. Сопротивление разрыву зависит от продолжительности действия нагрузки и температуры, так как процесс разрушения — типичный активационный процесс, происходящий во времени. Долговечностью гр называют время от момента

Рис. 2.7. Температурные зависимости модуля упругости Е и тангенса угла потерь tg6 для частично застеклованного кристаллического полимера

приложения нагрузки до момента разрыва материала. Связь разрушающего напряжения Ор, долговечности и абсолютной температуры Т устанавливает уравнение Журкова

U —-ус tp = toe кт , (2.1)

где U — энергия активации; U — усг — эффективный потенциальный барьер, определяющий скорость разрушения твердого полимера.

Уравнение (2.1) справедливо для большинства полимеров и твердых тел, структура которых не меняется в процессе деформирования. Однако поведение некоторых полимеров нельзя описать этим уравнением. Так, для резин справедливо уравнение Бартенева (6.5).

Механизм высокоэластической деформации эластомеров. Высокоэластическое состояние является промежуточным между жидким (текучим) и стеклообразным, поэтому в комплексе механических свойств эластомера можно обнаружить свойства жидкого и твердого тел. Развитие высокоэластической деформации можно рассматривать как совокупность течения сегментов макромолекул под влиянием внешних сил. С этой точки зрения эластомеры близки к жидкостям. Процесс перегруппировки сопровождается преодолением внутреннего трения и, следовательно, рассеянием энергии. Однако течение сегментов ограничено связями и не является необратимым. Это соответствует твердому состоянию тела. Таким образом, при высокоэластической деформации возможность свободного перемещения имеют только участки цепных макромолекул и деформация протекает во времени. Этим объясняется релаксационный характер деформации — отставание деформации евл от изменения внешней нагрузки. После снятия внешней нагрузки участки цепи макромолекул под действием теплового движения возвращаются в первоначальное, наиболее вероятное состояние сильно свернутых конформаций. Деформация эластомера

связана с уменьшением энтропии, а возвращение в первоначальное положение — с увеличением ее. Следствием этих закономерностей является зависимость релаксации от температуры.

Релаксация буквально означает ослабление, но обычно под этим термином понимают процесс установления статистического равновесия в физической или физико-химической системе. Скорость установления равновесия связана с вероятностью перехода системы из одного состояния равновесия в другое. Вероятность этого процесса подчиняется закону Больцмана; величину, обратную этой вероятности, называют временем релаксации процесса

т = тоеп/кт (2.2)

где Т — абсолютная температура, К; т0 — период колебания атомов, равный 10"13 с.

Время релаксации низкомолекулярных жидкостей (при Т> Тш) мало (10—7... 10—10 с); высокоэластичных материалов (Т» Тс) на несколько порядков больше (1О-4...1О-6 с). При приближении температуры к Тс т % 101 с [81]. При Т^> Тс подвижность сегментов велика, т мало и релаксация проявляется слабо. С понижением Т до Тс подвижность сегментов резко уменьшается, т возрастает и деформации начинают отставать от изменения внешней нагрузки. На рис. 2.8 показана кривая изменения во времени t высоты образца эластомера от /о при приложении в начальный момент (t = 0) постоянной нагрузки Р.

Рис. 2.8. Кривые изменения высоты образца из эластомера при сжатии

Сначала практически мгновенно происходит уменьшение /0 до lv вследствие «быстрой» высокоэластической и незначительной упругой деформации. Далее до t = t2 развивается обычная высокоэластическая деформация и высота образца уменьшается до /2. После снятия нагрузки высота образца быстро достигает значения /3 и затем медленно увеличивается до /,. Если время восстановления достаточно, образец принимает начальные размеры.

Релаксационные процессы описываются уравнением, члены которого объединяют параметры с разным временем релаксации т,-. Относительная деформация

е, = ву + ое, = ву + о^^^ ~ е”‘Л^ + ^^^^ ~ е”‘Л^ + ^(2.3)(2.3)где еу, Вост — упругая и остаточная составляющие деформации; о = P/S — напряжение, Па; Е; — модуль высокоэластич- ности, Па.

е, = ву + о

е, = ву + о

^^^ ~ е”‘Л^ + ^

^^^ ~ е”‘Л^ + ^

(2.3)

(2.3)

Временная зависимость деформации эластомера под постоянной нагрузкой при различных температурах (рис. 2.9) имеет экспоненциальный характер — при большом t наступает равновесное состояние (сю в^, Е»). Связь равновесных значений о, = E^e^ (где Е^ — равновесный модуль высокоэластич- ности) аналогична закону Гука. Скорость достижения равновесной высокоэластической деформации г^ зависит от темпе-

Рис. 2.9. Кривые изменения высокоэластической деформации во времени при а = const И 31 > $2 > $3

Рис. 2.10. Механические модели высокоэластической деформацииРис. 2.10. Механические модели высокоэластической деформацииратуры (в о, от & практически не зависит), время т,- описывается уравнением (2.2). Характер деформации можно описать с помощью механической модели, состоящей из упругих элементов £у, £э, аналога вязкого трения элемента г) и аналога старения элемента -q, (рис. 2.10, а). Практически для описания процесса деформирования необходима модель из двух-трех звеньев, но часто используют однозвенную модель Кельвина — Фогта (рис. 2.10, б), согласно которой т = т)/Еэ.

Рис. 2.10. Механические модели высокоэластической деформации

Рис. 2.10. Механические модели высокоэластической деформации

Релаксация напряжения (рис. 2.11). Если образец полимера подвергнуть очень быстрой деформации и зафиксировать при в = const, то равновесное напряжение а, будет меньше начального о0 (соответственно модуль ЕО1 > £„). В результате перегруппировки звеньев структуры полимера напряжение уменьшается примерно в соответствии с уравнением о( = (о0 — а^) е"'/т + □„, где т можно определить по формуле (2.2) или с помощью модели т = т\/Е3. Релаксация напряжений продолжается от нескольких минут до нескольких часов.

Рис. 2.11. Кривые релаксации напряжений (в = const)

Рис. 2.12. Температурные зависимости высокоэластической деформации при tt < t2 < t3 (а) и од > > <Х>2 > 0>з №Рис. 2.12. Температурные зависимости высокоэластической деформации при tt < t2 < t3 (а) и од > > <Х>2 > 0>з №Структурное и механическое стеклование, принцип временно-температурной суперпозиции. Процесс перехода из высокоэластического состояния в твердое (стеклообразное) при понижении температуры до Эс и отсутствии механических воздействий называют структурным стеклованием. Механическое стеклование происходит при 9 > 9С и высоких частотах со (или малом времени 1; деформации), когда эластомер находится в высокоэластическом (структурно-жидком) состоянии. Деформация зависит от соотношения между временем деформации t и временем релаксации т. Молекулярная природа структурного и механического стеклования едина и заключается в потере кинетическими единицами вещества подвижности при относительно низких 9 или больших о. При больших со в некоторой области 9 > 9С высокоэластическая деформация не успевает развиться и механические потери (кривая tg8 на рис. 2.7) достигают максимума при температуре механического стеклования 9МС. Как и при структурном стекловании, при 9м.с модуль Е увеличивается примерно на два порядка.

Рис. 2.12. Температурные зависимости высокоэластической деформации при tt < t2 < t3 (а) и од > > <Х>2 > 0>з №

Рис. 2.12. Температурные зависимости высокоэластической деформации при tt < t2 < t3 (а) и од > > <Х>2 > 0>з №

Таким образом, высокоэластическая деформация развивается не при всех 9 > 9С, а лишь при 9 % 9М.С. Температура механического стеклования 9МС повышается при уменьшении времени t, действия силы или при увеличении частоты со деформации. Кривые зависимости £ (9) при постоянном напряжении, действующем в течение разного времени h > <2 > Гз или с разной частотой coi < со2 < со3, показаны на рис. 2.12. Кривые деформации можно совмес

тить, перемещая их вдоль оси логарифма времени. Закон эквивалентности А. П. Александрова и Ю. С. Лазуркина, впоследствии развитый Ферри и др., получил название принципа температурно-временной суперпозиции. Метод экстраполяции, позволяющий переходить от одного времени воздействия к другому, основан на эквивалентности температуры (90, 9) и времени (f0, О [9, 81]:

lg t0 - 1g t = Р (273 + Эо - 273 +9 )’

(2.4) где Р — постоянная; 9 — температура, при которой деформация уменьшается в 2 раза (9 < 90).

В методе приведения Ферри температурные зависимости механических свойств описаны одной эмпирической функцией ai, которая представляет собой отношение времени релаксации при 9 ко времени релаксации при температуре 9S, принятой за стандартную [9, 81].

Комплексный модуль эластомеров (рис. 2.13). В общем случае модуль эластомеров определяется как комплексное отношение напряжения ст к относительной деформации е: Е* = ст/е. Он зависит от частоты, амплитуды и температуры. Всякий периодический процесс можно представить в виде суммы синусоидальных процессов, происходящих с разными частотами. При ст = = ст0 sin cot = Сто sin 2mt/T*

Е = Eq Sin (tot — ф),

где Сто, е0 — амплитуды напряжений и деформаций; ф — угол сдвига фаз между ст и е (рис. 2.13, б). В стеклообразном

состоянии полимера сие совпадают по фазе. Угол ф максимален в переходной области, в которой период Т* сравним с временем релаксации т. В области 9 > 9С при каждом цикле деформации необратимо затрачивается работа, характеризуемая площадью петли гисте- реза (рис. 2.13, а); удельные потери энергии за цикл W = ^а de = лообо sin ф. Потери в единицу времени, или плотность мощности потерь, Вт/м2:

N9 = WjT* = О,5гоо0е0 sin ф. (2.5)

Комплексный модуль Е* состоит из вещественной части Е', характеризующей упругость материала и мнимой части Е", характеризующей внутреннее трение:

Е* = Е + Е'; Е = ^±^$1;

1 + ®2т2

_ ^Е.+ Е^ют ~1+®2т2 '

Теплофизические свойства. Соотношение между удельным объемом у (или плотностью р), давлением р и температурой 9 устанавливают уравнения состояния (1.1) — (1.4), в которые входят функциональные температурные коэффициенты объемного и линейного расширения а и аь модуль объемного сжатия х или сжимаемость Р = 1/х. Значения а, х, теплоемкости с, теплопроводности X и других теплофизических параметров необходимо знать во всем диапазоне р и 9 работы материалов уплотнений. Обычно известны только эксперимен

тальные данные об этих параметрах при нормальных условиях (р0,90), причем для ограниченного числа материалов. При описании принципиальных зависимостей а, х,... от р и 9 для полимеров в вязкотекучем, высокоэластическом и аморфном состояниях в первом приближении можно использовать модели физических свойств жидкости (см. подразд. 1.2). Все теплофизические свойства связаны с молекулярной структурой и свободным объемом Vj = F^, 9) вещества. С повышением р Vf уменьшается, поэтому следует ожидать увеличения х и уменьшения а. Обратное влияние оказывает температура. Большое гидростатическое давление р влияет на температуры фазовых переходов — стеклования 9в плавления 9лл, кристаллизации 9кр. С увеличением давления (рис. 2.14) температура 9С повышается, причем для эластомеров d9c/dp « 0,17 °С/МПа; для НК — 0,24; для полиизобутилена — 0,25; для аморфных полимеров: 0,32 (ПС); 0,2 — 0,29 (ПММА); 0,11-0,13 (ПВХ) [3].

Изменение структуры материала при переходе через точки 9С 9ПЛ, 9кр вызы-

Рис. 2.14. Зависимость температуры стеклования 9С полимеров от давления

Рис. 2.15. Температурная зависимость коэффициента объемного расширения каучука НК вает ступенчатое изменение кривых теплофизических параметров. Температурный коэффициент объемного расширения а, °C-1, определяют [3] из уравнения Тейта (1.4):

р р dB а = а0 - — z ,„ -75",(2.6)

р0 (р + В) В d^

где ро, р — плотности в исходном и рабочем режимах; В = Boe-Bts к Во - с9 — функциональный коэффициент. В аморфном состоянии для ПС Во = 334 МПа и с = 1,1 МПа/°С; для ПММА — 370 и 1,47; для ПВХ — 375 и 0,9; для ПЭВП — 476 и 2,3; для ПЭНП - 323 и 2,26 [3]. В области перехода (9С) к высокоэластическому состоянию Во резко уменьшается до 150—200 МПа и соответственно ступенчато возрастает а (рис. 2.15).

Температурный коэффициент линейного расширения ае = а/3. Приближенную оценку коэффициента а при р и S по известному для начальных условий «о(Ро = 0,1 МПа; 90 = 20...50°C) выполняют по формуле

а = аохо/х,(2.7)

где хо, х — модули объемного сжатия соответственно при р0, 90 и р, 9.

Уравнение (2.7) можно применять в пределах диапазона АО между точками фазовых переходов. При переходе полимера из высокоэластического состояния в аморфное или частично-кристаллическое а резко уменьшается (см. рис. 2.15). Кривые зависимостей а (9) и а(р) для некоторых полимеров имеют ступенчатые переходы, отражающие частичные структурные изменения. В

Рис. 2.16. Зависимость относительного объема ДУ/У от давления р при 9 = 20... 25 °C (по опытам Бриджмена): / - эластомеры; 2 — фторопласт

особенности это характерно для фторопласта-4 (см. рис. 2.22).

Значения а-104, °C-1, при 9 = = 20...50°C и р = 0,1 МПа: 1) при 9 > 9С для эластомеров на базе НК 5,3 — 6,6; хлоропрена 4 — 5,5; СКН 3,3 —5,3; СКЭП 4-6; СКТ 5,3-9,3; СКФ 5,8; 2) при 9 < 9С для эластомеров на базе НК 1,5; хлоропрена 1,65; СКЭП 1,2; СКФ 2; 3) для эбонита 0,7; капрона 1 — 1,5; текстолита 0,3; фторопласта-4 при 20 °C 2,5; при 60-120 °C 1,2.

Сжимаемость Р = 1/х. В пределах одного физического состояния изменение относительного объема большинства

полимеров происходит монотонно ДУ

(рис. 2.16) и зависимость —^(р) являет

ся экспоненциальной. Ее можно описать рядом линейных функций с модулями х,- = х10 + т,р, в которых коэффициенты т{ = const в диапазонах р: 0 — 500, 500-1000,1000 - 2000 МПа. При

р > 2000 МПа х = xma, = const. На кри- ДУ, .

вых —^(р) для фторопласта существует

излом при р як 800 МПа, отражающий полиформные превращения в материале.

При повышении температуры Vj увеличивается, поэтому в пределах одного физического состояния следует ожидать уменьшения х с повышением 9. На рис. 2.17, а показаны типичные зависимости х (9) при р = const для термопластов (полистирол). Кривые имеют ступень при 9 = 9И что отражает переход от аморфного состояния к высокоэласти-

К,ГПа

Рис. 2.17. Зависимости модуля объемного сжатия полимеров от температуры 9 (штриховые линии) и давления р (сплошные линии):

а — для полистирола; 6 — для атактического полистирола и ПММА (штрихпуиктирные линии); в — для ПЭНП; г—для ПЭВП; й — для синтетических каучуков (СКН, СКИ, СКС — заштрихованная зона) и вулканизованного НК [3]

ческому и сопровождается ступенчатым уменьшением и. На рис. 2.17, б показаны типичные зависимости и (р) при 9 = const для полимеров — ПММК и атактического полистирола в аморфном состоянии; на рис. 2.17, в и г — зависимости и(р) и и (9) для частичнокристаллических термопластов — полиэтиленов ПЭВ Д и ПЭН Д; на рис. 2.17, д — для эластомеров. Эти зависимости полностью или на определенных участках имеют линейный характер и могут быть описаны уравнениями и = х0 + тр, и = = Ио — фД9, хотя коэффициенты т и ф существенно различны для разных материалов и интервалов температур. Конкретные данные существуют только по отдельным полимерам. Учитывая известную аналогию в поведении полимеров и жидкостей для ориентировочных расчетов х в пределах одного физи

ческого состояния, можно использовать объединенное уравнение (1.5) в виде

и = и0 + тр — ф Д9, (2.8)

где и0 — исходный модуль объемного сжатия при р0 = 0,1 МПа и 90 « 20 °C, Па; Д9 = 9 — 9о, °C; т — безразмерный коэффициент; ф — коэффициент, зависящий от р и 9, Па/°С.

Коэффициент т в зависимости от материала и температуры находится в пределах 8 — 15 (обычно т = 9... 10) и незначительно меняется при изменении 9. Так, для эластомеров т як 10, для ПС 8,7, для ПММА 12, для ПЭВД 10, для ПЭНД 15. Следует иметь в виду, что данных по коэффициентам m и ф опубликовано очень мало.

Коэффициент ф, как правило, больше в области 9 = 20...50°С (ф1 = 35... 15), меньше в области 9 = 60... 100°C (ф2 =

Таблица 2.2

Теплофизические свойства эластомеров [9]

Эластомер на основе каучука

Марка

Зс.°С

К&

кг-°C

X,

В1

м-°С

а- 10», м2/с

Изопреновый

НК

-68...-73

2,3/0,7

1,9

0,3

8,9

Бутадиеновый

скд

-102...-112

2,4/0,5

1,8

0,31

11,3

СКБ

—48... —52

2,4/1,0

2,1

—

9,7

Бутилкаучук

БК

-60...-65

2,2/0,7

1,94

0,26

7,3

Бутадиенстирольный

СКМС-10

-74...-78

2,5/0,9

—

—

—

СКС-30

-52...-56

2,3/0,8

1,82

0,32

11,5

Бутадиеннитрильный

СКН-18

-47...-50

2,4/0,8

1,78

0,35

10,8

СКН-26

-40...-42

2,3/0,7

2,08

0,36

9,0

С КН-40

-20...-25

2,2/0,7

1,90

0,36

10,2

Хлоропреновый

Наирит

-40...-42

1,7/0,6

2,18

—

9,3

Фторкаучуки

СКФ-26

-18

2,4/0,6

—

—

—

СКФ-32

-22

2,4/0,6

—-

—

—

СКФ-260

-40

2,2/0,6

—

—

—

Силоксановый

СКТВ-1

-125...-130

4/0,9

—

—

—

Полиуретан

СКУ-8А

-30...-35

—

—

—

—

Примечания. 1. Значения а/ приведены при 8 > Эс (числитель) и 8<ЭС (знаменатель).

2. Значения X приведены для наполненного вулканизата (резины).

= 20...4) и слабо уменьшается с повышением р. Так, для эластомеров на основе НК <pi = 33...27 и <Р2 = 8; для ПС соответственно 22... 15 и 20... 12; для ПЭВД 20 и 4 для ПЭНД 22,5 и 25; для ПММА 17 и 8.

Пример. Известны к0 = 3500 МПа и а0 = = 5-10““°С“1 эластомера при р = 0,1 МПа и S = 20 °C. Определить и и а при р = = 50 МПа и 8 = 100 °C.

Расчет выполняем по формулам (2.8), где m = 10; <рт = 30 (3 = 20...50°С); ф2 = 8 (9 = 50...100°С) и (2.7):

и = и0 + тр — Ф1АЗ! — ф2Д32 =

= 3500 + 10 - 50 - 30 - 30 - 8 ■ 50 = 2700 МПа.

а = аохо/х = 5 • Г0“ “3500/2700 =

= 6,5-10"“ °C"1.

Эффект Томпсона. При быстром нагружении полимерный материал адиабатически нагревается. Мгновенное повышение температуры определяют по формуле Д9 = а (273 + 9) pv/cK, где с„ — тепло

емкость. При приложении давления р = 100 МПа образец нагревается на 15—20°C. Через некоторое время (10— 15 мин) при р = const температура образца понижается до исходной.

Удельная теплоемкость с = (dQ/dStym, где Q — подведенное к телу количество теплоты; т — масса тела. Теплоемкость полимеров имеет ряд особенностей по сравнению с теплоемкостью обычных твердых тел, поскольку полимеры в зависимости от 9 и р могут переходить из одного физического состояния в другое. Соответственно в структуре полимера может меняться число внутренних степеней свободы и удельный объем г, обусловливающие значения с. Для металлов с = ср = с„ = = 0,13...0,9 кДж/(кг-°С); для жидкостей с = 1,7...4,19 кДж/(кг.°С).

Теплоемкость полимеров (табл. 2.2) в высокоэластичном и вязкотекучем состоянии близка к теплоемкости жид-

Рис. 2.18. Зависимость теплоемкости полимеров с от температуры и давления р: а — для винилацетата; б — для ПММА; в — для ПЭВП [3]

костей, в кристаллическом — к теплоемкости твердых тел, в стеклообразном — принимает промежуточные значения. При температурах кристаллизации и плавления с изменяется скачкообразно, в процессе стеклования — постепенно, но часто при 9С кривые с (9) имеют максимум (стах), значение и положение которого зависят от скорости нагревания (рис. 2.18, а), в чем проявляется релаксационный характер процессов в полимерах. Теплоемкость полимеров существенно зависит от р и 9. На рис. 2.18, а показана типичная -зависимость с (0) при р = const для области перехода из аморфного состояния в высокоэластическое. Для всех областей кроме области фазового перехода характерна линейная зависимость с = а + Ьр. На рис. 2.18, б и в показана зависимость с (9) для частично кристаллических полимеров: при 9 < 9лл ср увеличивается с повышением 9, при 9 = 9М ср сначала резко уменьшается, затем постепенно увеличивается. При повышении р примерно до 200 МПа с сначала уменьшается, а затем незначительно увеличивается.

Теплопроводность X, Вт/(м • °C), материала обусловливает передаваемый через него тепловой поток Q, Вт: Q/t = = ХД 7S/1, где S — площадь, м2, / — толщина образца, м. Теплопроводность по

лимеров Х = 0,1...0,25 Вт/(м-°С) (редко достигает 0,5): для ненаполненных резин 0,13-0,20; для ПТФЭ 0,2-0,25; для ПС 0,16-0,13, для ПЭНД 0,25 - 0,49). По виду температурной зависимости Х(9) полимеры можно разделить на несколько групп. Характерная для многих аморфных полимеров и НК зависимость показана на рис. 2.19,а: при 9 < 9С X увеличивается с увеличением 9, при 9 = 9С достигает максимума и при 9 > 9С уменьшается. Пределы изменения X с повышением р относительно невелики. Для полимеров в высокоэластическом состоянии характерна линейная зависимость [3]: X = Хо + Вр. Конкретных данных по зависимостям Х(9) и Х(р) для уплотнительных материалов недостаточно для обобщений.

Теплофизические характеристики а, с, X смесей с наполнителями (ан, сн, Хн) из-

Рис. 2.19. Зависимость теплопроводности от температуры и давления для полимеров: а - СКТ, НК, ПММА, ПП и др.; б - ПС и ПТФЭ

меняются по сравнению с характеристиками чистых эластомеров (а3, сэ, Х3) в первом приближении пропорционально объемной доле w наполнителя [9]:

а = аэ — w (аэ — ан); с = сэ + w (сн - с3);

X = Х3 + yw.

Резины и каучуки

Эластомеры, получаемые на основе каучуков, называют резинами. В результате вулканизации резиновой смеси термопластичный, липкий и малопрочный каучук превращается в высокоэластичную прочную и стойкую во многих средах резину. Резина — термореактивный, пространственно сшитый сетчатый полимер с поперечными химическими связями между макромолекулами каучука. Комплекс механических и химических свойств резин уникален, поэтому они являются незаменимым материалом подавляющего большинства уплотнений и многих технических деталей. Природа механических свойств резин объясняется строением молекул каучука и характером химических и физических межмолекулярных связей. Основа резины — каучук — пластичное вещество (пластичностью называют свойство материала необратимо деформироваться под действием нагрузки). В невулкани- зованную (сырую) резиновую смесь путем механического смешения вводят ингредиенты: наполнители, вулканизующие агенты и др. При иагреве сырой резиновой смеси (вулканизации) между макромолекулами каучука возникают поперечные химические связи через атомы или группы вулканизующего агента (см. рис. 2.1, в).

При вулканизации в пресс-форме деталь принимает форму ее рабочей полости. Макромолекулы каучука содержат порядка 103 звеньев, но лишь незначительная их часть оказывается «сшитой» между собою. В типичной резине одна поперечная связь приходится примерно на несколько сот звеньев цепи. Участки цепи между поперечными

связями сохраняют гибкость и способность к движению с образованием многочисленных конформаций. При увеличении количества вулканизатора в смеси число связей возрастает, а резина становится менее эластичной вплоть до превращения в твердый и хрупкий эбонит.

Пространственная сетка резины нерегулярная, поэтому при деформации возникают перенапряжения отдельных участков. Возникающие в них разрывы связей приводят к появлению первичных очагов разрушения, разрастающихся далее в трещины. Для предотвращения этого опасного явления в резиновую смесь вводят активные наполнители (часто называемые усилителями), которые представляют собою твердые мелкодисперсные вещества с большой площадью поверхности и поверхностной активностью (чаще всего технический углерод — сажу). Такне резины называют наполненными. В них между цепными макромолекулами кроме химических возникают адсорбционного характера связи с наполнителем, которые компенсируют нерегулярность поперечных химических связей. В перенапряженных участках пространственной структуры происходит сначала разрыв адсорбционных связей, которые затем восстанавливаются без разрушения материала, участок цепи разгружается, а не разрывается. Усилители значительно повышают прочность прн растяжении, твердость, сопротивление истиранию и раздиру резин на основе некристаллизую- щихся каучуков. Введение активных наполнителей в резины на основе кристаллизующихся каучуков существенно не влияет на прочность. При введении в резиновую смесь наполнителей уменьшается относительное содержание каучука в ней, т. е. снижается его расход и стоимость материала.

Так как набухание резины в жидкостях определяется в основном свойствами каучука, смесь с большим содержанием наполнителей меньше набухает в рабочих средах. С этой целью в резиновые смеси кроме активных наполнителей

Основные физико-механические показатели резинНаименованиеОсновные физико-механические показатели резинНаименование

Основные физико-механические показатели резин

Наименование

Основные физико-механические показатели резин

Наименование

вводят инертные наполнители (мел, тальк и др.), существенно не влияющие на свойства материала. Кроме рассмотренных ингредиентов в их состав входят: противостарители и противоутомители, пластификаторы, ускорители вулканизации и другие компоненты, улучшающие эксплуатационные и технологические свойства. Подбором компонентов можно создавать резиновые смеси с заданными физико-механическими показателями.

ПлотностьТвердость в международных единицахТвердость по Шору АТемпературный предел хрупкостиМодуль эластичности при растяженииКоэффициент морозостойкостиПрочность при разрывеОтносительное удлинение при разрывеСтепень релаксации напряженияИзменение массыИзменение объемаВремя до разрыва образца в средеСкорость ползучестиОтносительная остаточная деформация сжатияПлотностьТвердость в международных единицахТвердость по Шору АТемпературный предел хрупкостиМодуль эластичности при растяженииКоэффициент морозостойкостиПрочность при разрывеОтносительное удлинение при разрывеСтепень релаксации напряженияИзменение массыИзменение объемаВремя до разрыва образца в средеСкорость ползучестиОтносительная остаточная деформация сжатияОбозначениеЕдиницаМетод определения по ГОСТрг/см3267 - 73нIRHD20403-75на—263-758хр°C7912-74ЕоМПа210-75Кв—13808-79о-рМПа270 - 75Ер270-75Ас%9982-769т%9.030-74Чу9.030-74ТРмин9.065-76V% /мин9.065-76с9.029-74ОбозначениеЕдиницаМетод определения по ГОСТрг/см3267 - 73нIRHD20403-75на—263-758хр°C7912-74ЕоМПа210-75Кв—13808-79о-рМПа270 - 75Ер270-75Ас%9982-769т%9.030-74Чу9.030-74ТРмин9.065-76V% /мин9.065-76с9.029-74Каучуки. Каучук является основным компонентом резины, определяющим ее эксплуатационные свойства и прежде всего совместимость с рабочими средами, температурный диапазон эксплуатации, прочность. Рассмотрим основные типы каучуков и их обозначения. Каучуки общего назначения, применяемые преимущественно для производства шин и других массовых изделий: натуральный (НК) и синтетические — бутадиен-стирольный (БСК, СКС), бутадиен-метил- стирольный (СКМС), изопреновый (СКИ), натрийбутадиеновый (СКБ), бутадиеновый (СКД). Каучуки специального назначения, применяемые для производства резиновых технических изделий (РТИ): хлоропреновые (ХП), бутадиен-нитрильные (СКН), этиленпропиленовые (СКЭП, СКЭПТ), фтор- каучуки (СКФ), уретановые (СКУ), си-

Плотность

Твердость в международных единицах

Твердость по Шору А

Температурный предел хрупкости

Модуль эластичности при растяжении

Коэффициент морозостойкости

Прочность при разрыве

Относительное удлинение при разрыве

Степень релаксации напряжения

Изменение массы

Изменение объема

Время до разрыва образца в среде

Скорость ползучести

Относительная остаточная деформация сжатия

Плотность

Твердость в международных единицах

Твердость по Шору А

Температурный предел хрупкости

Модуль эластичности при растяжении

Коэффициент морозостойкости

Прочность при разрыве

Относительное удлинение при разрыве

Степень релаксации напряжения

Изменение массы

Изменение объема

Время до разрыва образца в среде

Скорость ползучести

Относительная остаточная деформация сжатия

Обозначение

Единица

Метод определения по ГОСТ

р

г/см3

267 - 73

н

IRHD

20403-75

на

—

263-75

8хр

°C

7912-74

Ео

МПа

210-75

Кв

—

13808-79

о-р

МПа

270 - 75

Ер

270-75

Ас

%

9982-76

9т

%

9.030-74

Чу

9.030-74

ТР

мин

9.065-76

V

% /мин

9.065-76

с

9.029-74

Обозначение

Единица

Метод определения по ГОСТ

р

г/см3

267 - 73

н

IRHD

20403-75

на

—

263-75

8хр

°C

7912-74

Ео

МПа

210-75

Кв

—

13808-79

о-р

МПа

270 - 75

Ер

270-75

Ас

%

9982-76

9т

%

9.030-74

Чу

9.030-74

ТР

мин

9.065-76

V

% /мин

9.065-76

с

9.029-74

локсановые (СКТ, СКТВ, СКТЭ, СКТФТ), акрилатный, бутилкаучук (БК).

Уплотнения изготовляют преимущественно из резин на основе некристал- лизующихся каучуков: СКН, СКФ, комбинаций СКН и СКМС, СКН и ХП; СКТФ, ХП, СКЭП. Нижний температурный предел эксплуатации резины определяется главным образом температурами стеклования 9С и хрупкости 9хр каучука, верхний — скоростью термостарения при высоких температурах. Совместимость резин с рабочей средой определяется химическим составом каучука и среды (см. подразд. 2.5 и 6.3). Физикомеханические показатели некоторых резин приведены в табл. 2.3 и 2.4 [16, 41, 44, 73, 84, 88].

Бутадиен-нитрильные каучуки (СКН, другие названия: нитрильные, диви- нилнитрильные каучуки; нитрил, индекс ИСО — NBR) — основной продукт для получения резин с высокой стойкостью в среде нефтепродуктов, удовлетворительной морозе- и теплостойкостью. СКН получают эмульсионной полимеризацией бутадиена (дивинила) с нитрилом акриловой кислоты (акрилонитрилом), в результате чего образуются молекулы [—СН2—СН=СН—СН2—]т— [—СН2—CH—]т. СКН - аморфные, не

CN

Таблица 2.3

Таблица 2.4

Физико-механические показатели функциональных групп резин

Подгруппа

Каучук

р>. г/см3

МПа

н

мЙа

ер %

КВ(Э, °C)

эхр, °с

1

СКН-18

1,2

2,5-4,5

50-60

6

180

0,2(-50)

-60

2

СКН-18 + наирит

1,24

3,5-5,5

55-65

9

250

0,2( —50)

-55

3

СКН-18

1,3

7-10

70-80

12

160

0,15(—45)

-50

4

СКН-26

1,4

8,5-13

75-85

12

150

0,1(-38)

-42

5

СКН-18 +

СКМС

1,43

8,5-20

75-90

9

120

0,15(-50)

-55

6

СКН-40

1,25

7-13

70-85

10

250

—

-35

7

СКФ-32

2,1

8,5-13

75 — 85

17

160

—

-35

СКФ-26

2,1

8,5-13

75-85

16

130

—

—

8

СКТФ

1,65

8,5-20

75-90

5

100

0,5(-60)

—

9

СКЭП

1,25

8,5-20

75-90

10

120

0,2(-55)

-55...-65

10

СКТВ

1,2

2-4,5

45-60

2,5

200

0,6(-60)

-65

кристаллизующиеся каучуки с молекулярной массой М л 200 000, плотностью р % 1 г/см3. Полярная группа CN в молекуле каучука обусловливает устойчивость к действию неполярных растворителей, поэтому СКН нерастворимы в алифатических углеводородах и спиртах и резины на основе СКН мало набухают в минеральных маслах, топливах, воде и водосодержащих жидкостях. СКН растворимы в ароматических углеводородах — бензоле, толуоле, этилацетате, хлороформе, поэтому резины на основе СКН для этих сред не пригодны. Чем выше содержание в СКН акрилонитрила, тем выше масло- и бензостойкость, но ниже морозостойкость: при содержании его до 20% 9С = — 55 °C; до 30%-9с = -42°C; до 40%-0с = = — 32 °C. Содержание акрилонитрила в процентах указывают в обозначении СКН. По пластичности СКН подразделяют на жесткие, мягкие и очень мягкие. Выпускают СКН следующих марок: СКН-18, СКН-18М, СКН-26, СКН-26М, СКН-26МП, СКН-40, СКН-40М, СКН- 50М, СКН-26АС; СКН-26АСМ, СКН- 40АС, СКН-40АСМ (буква М означает мягкий, буквы А и С — технологические особенности полимеризации). СКН- 26СШ и СКН-40СШ применяют как добавки к обычным СКН. Для повышения стойкости к действию теплоты, озона и погодных условий выпускают

СКН, модифицированные поливинилхлоридом: СКН-26-ПВХ-30 и СКН-40- ПВХ-30. Эти каучуки имеют пониженную морозостойкость. СКН вулканизуют серой или ее соединениями. Для изготовления резин с повышенными прочностью и способностью к многократным деформациям выпускают СКН- 26-1,25 и СКН-26-5 с содержанием соответственно 1,25 и 5% метакриловой кислоты. СКН-26-1,25 применяют для изготовления клеев.

Бутадиен-стирольные (CKQ и бута- диен-метилстиролъные (СКМС) каучуки (другие названия: дивинилстирольные, стирол, индекс ИСО — SBR) применяют в резинах повышенной морозостойкости и озоностойкости в сочетании с СКН. СКС — продукт сополимеризации бутадиена со стиролом С6Н5— —СН=СН2, в результате которой получается сополимер со звеньями

[- СН2-СН^С

Iс6н5

Аналогичным сополимером является СКМС. Содержание стирола существенно влияет на свойства каучука, поэтому его указывают в обозначении, например СКС-10 и СКМС-10 содержат около 10 % стирола. Чем больше в сополимере стирола, тем выше прочность и износостойкость, но ниже морозостойкость:

для СКС-10 9С = — 75 °C и <тр = = 12...18 МПа, для СКС-30 8С = = -50 и ср = 20...25 МПа. СКС и СКМС вулканизуют серой. Они имеют нерегулярную структуру. Резины на основе СКС и СКМС стойки к воздействию воды, спирта, ацетона, но не стойки к воздействию минеральных и растительных масел. Для уплотнений применяют морозостойкие резины на основе СКН с небольшим содержанием СКМС-10 для повышения морозостойкости.

Хлоропреновый каучук (ХП, другие названия: наирит, неопрен; индекс ИСО — CR) получают полимеризацией хло-

С1

ропрена СН2=С—СН=СН2, имеет линейное регулярное строение, легко кристаллизуется (начиная с 0°С). Температура стеклования Эс = — 40 °C, плотность р = 1,23 г/см3. Резины на основе ХП обладают недостаточной морозостойкостью. Каучук отличается высокой свето- и озоностойкостью, хорошей масло- и бензостойкостью, стойкостью к кислотам и щелочам, негорючестью; его применяют в качестве добавки к СКН при изготовлении ряда резин для уплотнений.

Наирит марок: CP-50, CP-100, КР-50, КР-100, П, А, Б, В отличается высокими пластичностью и содержанием кристаллической фазы (примерно 29 — 35% при 20 °C). Выпускают также сополимер хлоропрена со стиролом — наирит С и наирит НТ, применяемые для изготовления клеев.

Фторкаучуки (СКФ, другие названия: фторсодержащие и фторорганические каучуки, индекс ИСО — FPM) являются продуктами сополимеризации фторированных углеводородов — фторолефинов. Выпускают СКФ-26 (вайтон), СКФ-32 (kel-F) и др.

СКФ — полностью насыщенные полимеры, содержащие большое количество полярных атомов фтора. Они характеризуются исключительно высокой стойкостью к воздействию силь

ных окислителей, синтетических масел, топлив, минеральных масел и даже некоторых растворителей. СКФ растворяются в сложных кетонах. СКФ вулканизуют в основном перекисями в две стадии: в пресс-форме при 130—150 °C (30— 50 мин) и в воздушной среде при 200 °C (24 ч).

Резины на основе СКФ могут длительно работать при высоких температурах: СКФ-32 при 150 °C — длительно, при 250 °C — несколько часов; СКФ-26 при 200 — 250 °C — длительно, при 300 °C — десятки часов. Основной недостаток резин на основе СКФ — невысокая морозостойкость: для СКФ-26 9С = = -18 °C; для СКФ-32 9С = -22 °C. Технология изготовления деталей из СКФ сложна, усадка составляет 1,5 — 2,8 %, поэтому необходимо назначать допуски по более грубым квалитетам. Радиационная стойкость у резин на основе СКФ ниже, чем у резин на основе СКН.

Силоксановые каучуки СКТ, СКТВ, СКТЭ, СКТН (другие названия: кремний- органические, силиконовые каучуки, силиконы, индекс ИСО — SJ) — содержат

силоксановую связь —Si—О—5м—. Основные модификации различаются радикалами: в диметилсилоксановом каучуке СКТ метильный радикал, в метил- винилсилоксановом СКТВ часть метильных радикалов замещена винильной группой. СКТЭ производят на основе этилсилоксана. В качестве герметиков используют низкомолекулярный каучук СКТН. Резины на основе этих каучуков вулканизуют перекисными соединениями, например перекисью дикумила (СКТВ) или бензоила.

Наполнителями резин служат кремниевые кислоты, двуокись титана, окись цинка и др. Вулканизацию выполняют в две стадии: сначала в пресс-форме, затем термостате (в среде горячего воздуха).

Силоксановые резины имеют белый или розовый цвет, отличаются большой плотностью (хотя плотность СКТ

р«0,98 г/см3), низкой прочностью (стр = 2,5... 4 МПа), неудовлетворительным сопротивлением истиранию и раздиру, повышенной газопроницаемостью (в 10—30 раз больше, чем у резин на основе СКН, СКФ и др.). Преимущества силоксановых каучуков: весьма широкий диапазон рабочих температур (от —60 до +250 °C в воздушной среде), высокая стойкость к тепловому старению (до 250 — 300 °C), высокая кислороде-, озоно- и атмосферостойкость, стойкость к действию ультрафиолетовых лучей, хорошие диэлектрические свойства, нетоксичность. Силоксановые резины не стойки в среде нефтепродуктов, кристаллизуются на морозе, подвержены деструкции при нагреве до 9> 150 °C без воздуха. Для них характерны высокая скорость восстановления деформации и малое время релаксации. В уплотнительной технике применяют резины на основе СКТВ для УН в среде воздуха и воздуха с содержанием озона; резины на основе СКТЭ — в среде кислорода.

Фторсилоксановый каучук (СКТФ, индекс ИСО — MFQ) по физико-механическим свойствам, термостойкости и морозостойкости близок к СКТ. Химическая структура СКТФ определяется замещением диметилсилоксановых звеньев фтором, что придает СКТФ при высокой термостойкости, свойственной СКТ, повышенную стойкость к действию растворителей. Прочность ар резин на основе СКТФ при наполнении кремниевой кислотой достигает 7 МПа, набухание в нефтепродуктах в 8 — 10 раз меньше, чем у резин на основе СКТ, а в синтетических жидкостях типа фосфатов (см. подразд. 2.5) — до 15 раз. Резины на основе СКТФ применяют для УН и малоподвижных УВ, эксплуатируемых в среде синтетических жидкостей, в широком диапазоне температур (-55... + 175 °C).

Этиленпропиленовый каучук (СКЭП, СКЭПТ, индекс ИСО — ЕРМ) — продукт сополимеризации этилена СН2=СН2 с пропиленом СН2=СН —

— СН3. СКЭП — насыщенный сополимер, молекулы которого содержат звенья [ СН2 СН2-]„- [-СН2—СН ],„ не

I

СН3

стереорегулярного состава с чередованием 8—12 звеньев этилена и пропилена. Выпускают СКЭП следующих марок: СКЭП-30, СКЭП-40-36-45, СКЭП-50-46-56, СКЭП-60-56-65. СКЭП вулканизуют органическими пероксидами. В СКЭП отсутствуют двойные связи, поэтому резины на его основе имеют высокие сопротивление истиранию и старению, а также водостойкость и диэлектрические свойства. Температура 9С находится в пределах — 50... —70 °C. Резины на основе СКЭП применяют для УН и УВ, работающих в среде воды, слабых растворов кислот и щелочей, синтетических рабочих жидкостей типа фосфатов и диэфиров.

Тройной сополимер СКЭПТ содержит кроме этилена и пропилена третий мономер с двойными связями в боковых группах, что придает сополимеру ненасыщенный характер и позволяет проводить обычную серную вулканизацию. Резины на основе СКЭПТ по свойствам близки к резинам на основе СКЭП.

Акрилатные каучуки (полиакрил, индекс ИСО — АСМ) получают сополимеризацией акриловой кислоты и акрилонитрила. Резины на их основе имеют высокую стойкость к старению, характеризуются низкой газопроницаемостью, работоспособны в горячих углеводородных маслах при 150—180°C, поэтому их применяют для армированных манжет [70] и тепломаслостойких прокладок.

Уретановые каучуки (СКУ, индекс ИСО — AU) содержат в основной цепи уретановую группу —О—С—NH—. СКУ применяют в ос-

О

новном для изготовления износостойких резин ограниченной тепло- и морозо-

стойкости в обувной промышленности. В последнее время их успешно применяют для УПС силовых цилиндров, предназначенных для тяжелых условий работы. По маслостойкости СКУ аналогичны ХП, при повышенных температурах нестойки к действию пара, кислот и щелочей [41]. Плотность СКУ р= 1,2... 1,3 г/см3, Эс = —35°. Температурный предел эластичности от —30 до + 130 °C.

Резиновые смеси с различным составом компонентов. Многие смеси резины близки по составу и свойствам, поэтому в стандартах общего назначения указаны лишь группы резин с примерно одинаковыми свойствами. Поскольку принципы группирования различны и не основаны на классификации, существует несоответствие между группами, установленными разными стандартами. Так, группы по ГОСТ 18829 — 73 на кольца резиновые не совпадают с группами по ГОСТ 8752 — 79 на манжеты резиновые и с группами по документации для авиационной, химической промышленности и т. д. Основные свойства резины определяют свойства каучука. Комплекс ингредиентов в оптимальных соотношениях определяется особенностями каучука, требованиями совместимости со средой и условиями эксплуатации (назначением резины для УН, УПС, УВ), что позволяет получить резийу с наилучшими физико-механическими свойствами. В связи с этим в большинстве стандартов исходными принципами группирования резин являются основная рабочая среда и тип каучука.

Принято четыре варианта записи рецептур резиновой смеси: 1) в массовых частях (м. ч) компонента на 100 массовых частей каучука; 2) в % по массе, 3) в % по объему; 4) в кг. В настоящем справочнике использован первый вариант.

Масло- и бензостойкие резины на основе нитрильных каучуков СКН. Подавляющее большинство уплотнений машин работает в среде нефтепродуктов —

масел, топлив, рабочих жидкостей. С ними совместимы резины на основе СКН, отличающиеся достаточной морозостойкостью (от —60 °C) и удовлетворительной теплостойкостью. Наиболее морозостойкие резины создают на основе каучука СКН-18 (Эс = —52 °C и Эхр = — 65 °C в маслах) или комбинации СКН-18 и СКМС-10. Среднеморозостойкие резины создают на основе СКН-26 (Эс = -42 °C, ЭХр « -55 °C в маслах). Степень набухания их в маслах в 3 раза меньше, чем у резин на основе СКН-18. Наиболее масло- и бензостойкие резины ограниченной морозостойкости создают на основе СКН-40 (Эс =-22 °C. Эхр л -35 °C в маслах). Типичный рецепт [36]: 100 м. ч. каучука СКН; 2—3 м. ч. вулканизующих веществ — серы в комбинации с серосодержащими ускорителями вулканизации (тетраметилтиурамдисульфи- дом). Последний сокращает время вулканизации и создает межмолекулярные связи с большим сопротивлением тепловому воздействию, но должен быть введен в смесь в строго определенном количестве, чтобы не ухудшать воздействие наполнителей. Ускорители вулканизации проявляют наибольшую активность в присутствии оксидов некоторых металлов, поэтому в смесь вводят 3 — 5 м. ч. оксида цинка ZnO.

Активный (усиливающий) наполнитель (35 — 50 м. ч.) — технический углерод (сажа). Усиливающее действие его тем больше, чем меньше размер частиц и больше их удельная поверхность. В СССР выпускают технический углерод следующих марок: ПМ-100, ДГ-100, ПМ-90, ПМ-75,...,ПМ-15. Первая буква в обозначении марки означает способ производства (Д — диффузионный, П-печной, Т — термический), вторая — использованное сырье (М — масло, Г — газ), цифра соответствует его удельной поверхности в м2/г.

Инертные наполнители — каолин, мел, сернокислый барий. Введение каолина приводит к повышению твердости, сопротивления истиранию, ди-

электрических показателей, масло- и бензостойкости, введение сернокислого бария — кислотостойкости.

Противостарители (1 — 3 м. ч.) — антиоксидант — неозон Д (фенил — р — наф- тиламин) или другие ароматические амины, которые вводят в смесь для замедления термоокислительного старения. Механизм действия антиоксидантов рассмотрен в подразд. 6.1. Кроме антиоксидантов химического действия в смесь вводят физические противостарители — парафин и воск, которые растворяются в резине при вулканизации и затем дифундируют на поверхность, образуя пленку, стойкую к воздействию кислорода и озона.

Мягчители и пластификаторы (13 — 30 м. ч.) — вещества, которые повышают пластичность сырой резиновой смеси, способствуют диспергированию в ней ингредиентов, улучшают эластичность резины на морозе. Пластификаторами называют вещества, влияющие на морозостойкость резины, мягчителями — добавляемые с технологическими целями. В резины на основе СКН вводят стеариновую кислоту и синтетические мягчители — дибутилфталат, дибутилсебацинат. На резины, предназначенные для работы в маслах, пластификаторы оказывают положительное влияние в основном при хранении деталей в сухом состоянии.

Рецептуру резин указывают в технологической документации предприятий РТИ. "

Классификация резин. Качественные показатели резин различных марок, применяемых в уплотнительной технике, заданы в ведомственных стандартах (ТУ, ОСТ) на материалы, например в ТУ 38.005204 — 71 на резины для автомобильного, тракторного и строительнодорожного машиностроения. В ГОСТах на уплотнения обычно регламентированы группы резин по физико-механическим показателям, приемлемые для определенных условий эксплуатации. Резины подразделяют на следующие укрупненные категории:

класс — эластомеры (резины) подкласс- базовый каучук и группы рабочих сред; группа — по конкретным условиям назначения (среда и температурный диапазон (9]... S2) эксплуатации в среде, типы герметизируемых соединений — УН, УВ, УПС); подгруппа— по основным физико-механическим показателям (см. табл. 2.3); вид — конкретная марка резины.

Применяемые в уплотнительной технике общего назначения резины [10, 12, 24, 36, 70, 88] подразделяют на 10 подгрупп (см. табл. 2.4).

Мягкие маслобензостойкие и морозостойкие резины на основе СКН-18, например марки 98-1, предназначены для УН, УПС, УВ, эксплуатируемых при ограниченных перепаде давлений Ар и скорости скольжения с в среде воздуха (от 9i = —45 °C до 92 = 100 °C), нефтяных масел и рабочих жидкостей с АТ > 80 °C (от -60 до 100 °C).

Мягкие масло-, бензо, морозо- и водостойкие резины на основе СКН-18 и наирита, например, марки 7-Н0-68-1 по ТУ 38 005204—71 предназначены для УН, УПС, УВ, эксплуатируемых при ограниченных значениях Ар и г в среде топлив и масел с АТ > 80 °C, воды, слабых растворов кислот и щелочей при 9= —55...100°С.

Среднетвердые маслостойкие резины на основе СКН-18, например 7В-14, 7В-14-1 по ТУ 38 005204 - 71, предназначены доя уплотнений гидросистем мобильных машин: УН при статических Ар < 50 МПа; УПС при г < 0,5 м/с, Ар < 40 МПа; УВ для v < 10 м/с. Рабочая среда — нефтяные РЖ с АТ > 80°C при 9 = —60(—50)... 100°С. Выпускают резины специальных марок для диафрагм (обозначение марки дополнено буквой Д).

Среднетвердые маслостойкие резины на основе СКН-26, например, марок 7-8075, ИРП-1О78А по ТУ 38 005204 - 71, предназначены для УН, УПС, УВ, эксплуатируемых при тех же режимах, что уплотнения из резин подгруппы 3 —

в среде РЖ, масел и топлив с АТ = 68... 80 °C (9 = -40...100°С, кратковременно 150 °C). На основе комбинации СКН-26 и СКН-18 изготовляют более морозостойкие резины (например, ИРП-1078), работоспособные в указанных условиях до Si = —50 °C.

Морозостойкие резины на основе комбинации СКН-18 и С КМ С-10, например, марки ИРП-1054 [36] предназначены для УН и УВ, работающих при тех же режимах, что и уплотнения из резин подгруппы 3 — в среде нефтяных РЖ с АТ > 80 °C при 9 = = — 6О...15О°С.

Маслобензостойкие резины на основе СКН-40, например 7-4004 по ТУ 38 005204 — 71, отличаются значительно меньшим набуханием в среде нефтяных масел, РЖ, топлив, бензина, но худшей морозостойкостью, чем резины на основе СКН-18. Они предназначены в основном для УН и УВ оборудования, эксплуатируемого в производственных условиях при тех же режимах, что уплотнения из резин подгруппы 3 при 9 = = -30... 100°C (манжеты УВ по ГОСТ 8752-78 до 9= 120 °C).

Более твердые резины, например 3825 (80—95 IRHD), применяют для клапанов и мембран.

Теплостойкие и стойкие в агрессивных средах резины на основе СКФ отличаются сочетанием теплостойкости с исключительно высокой стойкостью в средах синтетических масел и РЖ, топлив, нефтяных масел, большинства растворителей, спиртов, щелочей, кислот, окислителей и других химических продуктов. Недостаточно морозостойки. Не рекомендуются для работы в среде сложных кетонов.

Резины на основе СКФ-32, например ИРП-1225 по ТУ 38 005204-71, предназначены для УН, УПС, эксплуатируемых в режимах, указанных для резин подгруппы 3 и УВ (манжеты) при v < 20 м/с. Температурный диапазон в средах: масла, топлива 9 = —20... 120°C длительно; воздух с парами 9 = = —30... 150°C; среды химической про

мышленности (бензол, толуол, этиленгликоль, хлор, стирол, дихлорэтан, фенол, нитробензол, спирты, кислоты, щелочи) — до 9 = 200 °C.

Резины на основе СКФ-26, например ИРП-1287 по ТУ 38 005204-71 [36, 70, 88], отличаются от резин на основе СКФ-32 большими теплостойкостью (9 < 250 °C), допустимой скоростью скольжения манжет, худшей морозостойкостью (9 > —25 °C), несколько меньшей степенью набухания в средах.

Ресурс работы в УВ при 150°С в среде синтетических РЖ и масел до 1000 ч.

Тепломорозостойкие и стойкие в синтетических РЖ резины на основе СКТФ предназначены для УН, УПС, УВ, работающих при ограниченных Ар, ии 9 = —55... + 150°С в среде синтетических РЖ (в том числе силиконовых); 9 = —55...200°C в среде воздуха с озоном, 9 = —70... +170°C для манжет УВ в среде нефтяных масел и топлив.

Прочность этих резин резко снижается при надрезах.

Тепломорозостойкие и стойкие в синтетических негорючих РЖ (НГЖ) резины на основе СКЭП предназначены для УН и ограниченно подвижных УПС в среде воздуха с повышенным содержанием озона (9 =—50...+150 °C), для диафрагм в среде синтетических масел и РЖ (9 = —50...+150°С), для УВ в среде НГЖ (9= -55...+125°C).

Тепломорозостойкие резины на основе СКТВ для среды воздуха, воздуха с озоном, электрических полей применяют для УН при ограниченных Ар и 9 = — 6О...25О°С.

Резинотканевые материалы [71]. Их изготовляют из текстильных материалов и промазочных резиновых смесей. Ткань воспринимает основную нагрузку, резина придает упругость и герметичность. Ткани изготовляют из натуральных (хлопок) или синтетических (полиэфирных — лавсан, полиамидных — капрон) волокон. Материалом для шевронных манжет служат хлопчатобумажные ткани доместик или Р-2, пропитанные резино-

вой смесью. Наилучшую клейкость имеет наирит, на основе которого получают смесь 639. Однако такой материал недостаточно стоек в воде и маслах, поэтому для уплотнителей чаще применяют резину на основе смеси нитриль- ного каучука СКН-4ОМ и наирита. Синтетические ткани обеспечивают большую прочность материала, однако их применение ограничено из-за плохой адгезии к резине. Поэтому синтетические волокна подвергают специальной обработке — модификации. Прочность связи между слоями резинотканевых материалов для уплотнителей должна быть не менее 10 Н/см. Технологическая схема производства уплотнений включает следующие стадии: приготовление заготовок тканей и резиновых смесей; изготовление резинотканевых заготовок; вулканизацию, обработку вулканизованных деталей.

Изменение массы резинотканевого материала в среде нефтепродуктов [71] больше, чем для резин (10—20%), и еще больше в среде воды. Резинотканевые уплотнения не рекомендуется применять в среде водосодержащих жидкостей ПГВ и промгидрол [75]. Модуль упругости при сжатии зависит от расположения волокон: при спиральной крутке Е » 55... 70 МПа, при горизонтальных слоях Е» 78... 165 МПа. Фрикционные свойства — см. подразд. 1.4.

Технология изготовления формовых резиновых уплотнений [41, 73 и др.]. Рассмотрим технологию изготовления формовых уплотнений из резин на основе СКП (уплотнения из резин на основе СКФ, СКТФ и СКТВ изготовляют по более сложной двухстадийной технологии).

Упакованную сырую резиновую смесь можно хранить в течение 3—12 мес. при температуре не более 30 °C. Смесь должна быть предохранена от воздействия источников лучеиспускания, света, пыли. Большинство уплотнений изготовляют формовым способом путем вулканизации в пресс-формах. Перед вулканизацией сырая резиновая смесь пласти-

Рис. 2.20. Конструкции одноместных пресс- форм для изготовления:

а — колец круглого сечения; б — армированных манжет (/, Г — матрица; 2 — пуансон; 3 — стержень; 4 — манжета; 5 — арматура; 6 — штырь)

фицируется вальцеванием, затем из нее приготовляют заготовки — кольца необходимых для закладки в пресс-форму размеров и массы. Пресс-форма для изготовления колец состоит из матрицы 1 и пуансона 2 (рис. 2.20, а). Ее устанавливают на плиты пресса и нагревают до температуры вулканизации. В пресс-форму закладывают заготовку, объем которой рассчитывают из условия полного заполнения объема формы для изготовляемой детали А и частичного заполнения облойных канавок В. В результате сопротивления истечению резины из полости А в ней создается необходимое давление прессования. В противном случае вследствие выделения паров и газов при вулканизации изделие получится пористым.

Резинометаллические формовые детали изготовляют аналогичным методом, но в пресс-форму на специальные штыри б (рис. 2.20,6) устанавливают металлическую арматуру. Для обеспечения адгезии резины с металлом арматуры сопряженные поверхности арматуры предварительно обрабатывают (подвергают латунированию или дробеструйной обработке и смазывают специальным клеем).

Рис. 2.21. Зависимость прочности резины от времени вулканизации

Для изготовления деталей, армированных тканью, перед вулканизацией в пресс-форме выполняют сборку заготовки требуемой формы.

Время и температура вулканизации оказывают сильное влияние на качество резиновых деталей, в частности на их прочность (рис. 2.21). Существует определенный оптимальный режим вулканизации для каждой резины и типовых групп деталей. Область максимума кривой Op(t) называют плато вулканизации. Чем выше 9В, тем уже плато вулканизации и выше требования к соблюдению времени tB выдержки детали в пресс-форме и температуре Эв вулканизации. Обычно вулканизацию массивных, медленно прогревающихся деталей проводят при Эв = 130... 140°C. Мелкие детали вулканизуют при &в=150... ...160°C. Соответственно время вулканизации уменьшается с 60 до 20 —15 мин. При малом tB режим в пределах допускаемых отклонений можно обеспечить только при применении совершенных средств контроля и регулирования. Брак деталей, вызванный нарушением режима вулканизации практически невозможно обнаружить при приемке деталей: он выявляется только при эксплуатации деталей. Например, недовулканизован- ные детали из резин на основе СКН сильно набухают в рабочих жидкостях, имеют пониженную прочность и повышенный износ; перевулканизованные детали быстро стареют и имеют пониженные прочностные показатели.

Детали в виде трубок и фасонных

или круглых шнуров изготовляют шприцеванием и вулканизуют на противнях в котлах, требуемое давление и температура в которых обеспечивается паром или горячим воздухом.

Одноместные пресс-формы (см. рис. 2.20) применяют при изготовлении мелких партий деталей при опытном производстве. При выпуске больших партий деталей для повышения производительности применяют многогнездные пресс-формы [19]. Для армированных манжет УВ они соответствуют ГОСТ 14901-79 и др.

При проектировании резиновых деталей необходимо предусматривать удобные места разъема пресс-формы, при которых конструкция пресс-формы становится наиболее простой, а следы облоя не попадают на рабочие части детали. Например, у манжеты, показанной на рис. 2.20,6, место разъема удалено от уплотняющей кромки Д. Удаление облоя — трудоемкий процесс, производимый обычно механическим способом. В ряде случаев детали изготовляют в пресс-формах литьевого типа, в которых заготовку сырой резины, помещенную в специальный цилиндр пресс-форм, выдавливают пуансоном в полость вулканизуемой детали, обеспечивая получение более плотного изделия. Следы литников удаляют с резиновой детали механическим способом. Для контроля изготовленных деталей применяют внешний осмотр, измерение наиболее ответственных размеров, определение физико-механических показателей «свидетеля» — стандартного образца, вулканизуемого по заданному режиму. Для наиболее ответственных изделий контролируют режим вулканизации по записи самопишущего прибора. Детали упаковывают в установленную тару (обычно полиэтиленовые мешки), в которую вкладывают бирку с указанием номера детали, марки резины, партии изделий, срока изготовления и необходимых данных о приемке. Это необходимо для исключения ошибок при использовании деталей после хранения.

Физико-механические испытания. Для объективной оценки качества резины проводят комплекс стандартных испытаний образцов. Общие требования к изготовлению образцов и проведению испытаний регламентирует ГОСТ 269 — 66. Качество резины оценивают по ряду характерных показателей (см. табл. 2.3), которые можно подразделить на две категории. Показатели первой категории определяют состояние материала в момент испытания, например условная прочность, относительное удлинение, твердость, модуль эластичности, плотность. По показателям второй категории оценивают изменение свойств материала во время пребывания в условиях рабочей или окружающей среды, деформированного состояния, нестандартных температурных условий. Обычно показатели второй категории определяют путем сравнения изменений показателей первой категории при достаточно продолжительном пребывании образца в заданных условиях, например, теплостойкость—по коэффициенту К„, равному отношению изменения прочности при разрыве к ее первоначальному значению.

Испытания на растяжение характеризуются одноосной деформацией и наиболее однородным распределением напряжений, поэтому отличаются от других видов испытаний (на сжатие, изгиб и т. д.) лучшей сходимостью результатов. Испытания проводят на разрывных машинах, принцип действия и конструкции которых рассмотрены в работах [47, 72].

Образцы растягивают с постоянной относительно малой скоростью деформации (например 50 см/мин) при постепенно возрастающей нагрузке. При этом снимают диаграмму о - е и определяют модуль Е. По результатам испытаний нельзя найти равновесный модуль Ет поэтому определяют условно-равновесный модуль при растяжении образца на 50% от удлинения при разрыве. Испытания на растяжение регламентирует ГОСТ 270—75. Прочность при растяже

нии выражают условным и истинным значениями.

Условная прочность при растяжении /р, МПа, характеризуется отношением силы Рр, МН, вызывающей разрыв, к начальной площади сечения образца So, м2: /р = Pp/S0- Истинная прочность при разрыве ар = /р(10-2ер + 1) соответствует истинному напряжению ор = = Pp/S. (Здесь ер — относительная деформация при разрыве, %: ер = = 100 (/р — /0)//0; S — истинная площадь сечения: S = S0(l + е)-1). Относительное остаточное удлинение при разрыве О, %, позволяет оценивать качество изготовления деталей. Условное напряжение при заданном относительном удлинении е определяют по формуле о'е = PJS0, где Pt — сила при заданном е. Истинное напряжение при заданном удлинении е определяют по формуле оЕ = Pt/S.

Модуль эластичности меняется при деформировании, что необходимо учитывать при расчетах процессов с большим диапазоном изменения деформации. Из диаграмм о — е определяют условный модуль при деформации е, %, по формуле E't = 100с7е/Е и истинный модуль по формуле

Еь = 100ос/е = £'е(1 + е).

Сжатие — наиболее частый вид нагружения уплотнительных деталей при эксплуатации. Испытания на сжатие проводят на образцах цилиндрической формы размером 10 х 10 мм, сжимаемых между плитами специальной струбцины на постоянную величину е (ГОСТ 9982 — 76, ГОСТ 9.029 — 74). Определяют силу сжатия Р и условное напряжение о = P/Sq по недеформированной площади сечения образца So. При сжатии образца между плитами площадь сечения образца и площадь контакта увеличиваются. При этом возникают значительные силы трения по поверхности контакта, вызывающие бочкообразность боковых стенок образца и неоднородность напряжений в нем. Поэтому связь нагрузки и деформации зависит от размеров и формы детали (см. под-

разд. 3.2). Испытание на сжатие можно проводить на разрывной машине, снабженной реверсором. В результате испытаний находят условное напряжение и относительную деформацию при сжатии (ГОСТ 265 - 78).

По твердости Н можно оценить сопротивляемость материала воздействию сосредоточенной нагрузки. Она определяет совокупность упругих свойств и в первую очередь модуль упругости. Это один из немногих способов неразрушающего контроля, поэтому твердость можно определять на образцах (толщиной не менее 6 мм) твердомерами типа ТМ-2 или ТШМ-2 и непосредственно на деталях с помощью микротвердомеров. Показателем твердости Н в общем случае является отношение нагрузки на индентор Р к площади поверхности отпечатка S: Н = Р/S. Для сферического индентора S = кВИ (где D — диаметр сферы; h — глубина погружения) или S = 0,5nD2 — — 0,5кВу D2 — d2 (где d — диаметр отпечатка).

Показателем твердости по ГОСТ 20403 — 75 является условная единица IRHD. Шкала твердости выбрана-так, что нуль соответствует твердости материала с модулем £ = 0 и 100 — твердости материала с £ = оо. Твердомером Ц) = 2,5 мм) измеряют глубину h, мм, погружения индентора под действием нагрузки РтаХ х 5800 мН. Пересчет h на единицу твердости IRHD выполняют по таблицам ГОСТ 20403 — 75, например:

/1/100, мм 0 10 20 30 35

IRHD. 100 97,1 90,6 83,6 80,2 Л/100, мм 40 50 60 70 90 100

IRHD. 77,0 71,0 65,5 60,6 52,3 48,8

Микротвердомеры (D = 0,395 мм, Ртах =154 мН) обычно указывают твердость непосредственно в единицах IRHD.

Твердость по Шору А определяют согласно ГОСТ 263 — 75 в аналогичных условных единицах на образцах толщи

ной 6—10 мм (в интервале IRHD 30— 85 значения единиц практически совпадают). Ориентировочные соотношения твердости и модуля эластичности при сжатии:

IRHD. .40 50 60 70 80 90 Есх, МПа. 1,5 2,5 4,5 7 10 21

Температурный предел хрупкости определяют согласно ГОСТ 7912 — 74. Суть метода — определение самой низкой температуры 9хр, при которой образец резины (пластина, консольно зажатая в приборе) не разрушается при ударной сосредоточенной нагрузке на край образца. Испытания начинают с более низкой температуры, постепенно ее повышая. Температура ЭхР, определенная данным методом, обычно превышает допускаемую предельную температуру, при которой можно эксплуатировать уплотнения.

Определение стойкости резины к воздействию жидких сред регламентировано ГОСТ 9.030— 74 (см. подразд. 6.3 и 6.5) методы прогнозирования изменения свойств резины при термическом старении-ГОСТ 9.029 — 74 (см. подразд. 6.1 и 6.4).

Определение морозостойкости по эластическому восстановлению после сжатия регламентировано ГОСТ 13808 — 79.

Пластмассы

Пластмассы классифицируют по химическому составу основы и подразделяют на ненаполненные и наполненные (композиционные). К ненаполненным пластмассам, применяемым в уплотнительной технике, относят пластмассы на основе полиолефинов (полиэтилена, полипропилена и др.), полиамидов (полиамида 610, капролона и др.), ароматических полиамидов (фенилона), полиимидов (полиимида ПМ67), поликарбонатов (дифлона), а также фторопласты (на основе ПТФХЭ и ПТФЭ). К композиционным материалам относят: гра- фитопласты (АТМ2, графелон-20, АМС-1, АМАН и др.), композиции на основе

фторопласта. Особую группу составляют материалы на основе синтетических смол и наполнителей, например слоистых (текстолит), и др.

Химическая стойкость пластмасс в средах определяется стойкостью их полимерной основы и в меньшей степени — наполнителей и пластификаторов. Совместимость материалов со средами рассмотрена в подразд. 6.2 и 6.5. Температурные пределы эксплуатации 82...8i определяются хрупкостью при низких температурах (82), теплостойкостью по размягчению и термостойкостью по способности сохранять химическую стабильность при повышенных температурах (81).

Области применения пластмасс в уплотнительной технике указаны в табл. 2.5. Как конструкционные материалы пластмассы подразделяют на три группы: 1 — мягкие с модулем Е < 4%104 МПа, 2 — полужесткие с Е = (4... 10) 104 МПа, 3 — жесткие с Е = (10... 12) 104 МПа. В уплотнительной технике применяют в основном мягкие пластмассы при средних значениях Ар и малых и. Полужесткие пластмассы применяют для УН и УПС при больших Ар, в частности для поршневых колец компрессоров, а также для клапанов и торцовых УВ.

При описании конкретных видов пластмасс далее применены условные обозначения показателей конструкционных пластмасс (табл. 2.6). В обозначении показателя указывают температуру в °C (в индексе) и гидростатическое давление в МПа (в скобках) при испытании. При отсутствии индекса показатель относится к нормальным климатическим условиям (8 = = 25 °C, р = 0,1 МПа). Например, Е1Оо (50) — модуль упругости при 8 = = 100 °C и р = 50 МПа).

Преимущества пластмасс:

возможность создания легких конструкций благодаря малой плотности (р = 0,9... 2,4 г/см3) и твердости (Н = = 1... 400 МПа) материала при относительно низких давлении рк герме

тизации и модуле упругости (Е = = 400...9000 МПа);

работоспособность во многих агрессивных средах с малой степенью набухания;

низкие стоимость большинства материалов (до 10 р. за 1 кг) и технологичность изготовления уплотнений;

низкий коэффициент трения при трении без смазочного материала (для антифрикционных композиционных и фторопластовых материалов/ = 0,05... 0,2);

высокие допустимые деформации (е = = 10...600%);

низкая газо- и водопроницаемость;

высокая антиэкструзионная стойкость.

Недостатки пластмасс как уплотнительных материалов:

ограниченный температурный диапазон эксплуатации, обусловленный сильной зависимостью показателей (см. табл. 2.6) от 8, а также возможностью разгерметизации вследствие большого различия между температурными коэффициентами линейного расширения пластмасс и металлов;

ползучесть под нагрузкой (хладотекучесть);

пониженная по сравнению с эластомерами герметизирующая способность;

ограниченный по сравнению с металлами срок эксплуатации, обусловленный старением; низкая (например, для фторопластов) радиационная стойкость.

Полиэтилен (ПЭ) — термопластичный продукт полимеризации этилена, очень широко применяемый в уплотнениях для пищевой, химической и других отраслей промышленности, а также в бытовой химии. По физическому состоянию ПЭ относят к частично кристаллическим полимерам. По способу производства их подразделяют в основном на полиэтилены низкого и высокого давления (ПЭНД и ПЭВД), часто называемые ПЭВП и ПЭНП — полиэтилен соответственно высокой и низкой плотности.

ПЭНД согласно ГОСТ 16338 — 77 имеет следующие показатели: М=(70... ...150)103; р =0,93...0,98 г/см3; Ер =

Таблица 2.5

Области применения пластмасс в уплотнительной технике

Пластмасса или ее основа

Рабочие среды

Диапазон рабочих температур, °C

Области применения (примеры)

совместимые

несовместимые

Полиэтилен

Серная и соляная кислоты, щелочи, спирты, масла, кислород, пищевые продукты

Азотная кислота, ацетон, бензол

-60... + 80

Пищевая промышленность и бытовая химия (клапаны пневмосистем, мембраны, транспортировочные УН, пробки)

Полипропилен

Разбавленные минеральные и орга- ни ческие ки слоты и щелочи, растворы перекисей и спиртов, моющих веществ

Дымящая азотная кислота, олеум, галоиды

-5...+ 140

Пищевое машиностроение (прокладки, клапаны и манжеты)

Поликарбонат

Разбавленные минеральные кислоты, алифатические углеводороды и спирты, масла, жиры, кислород, вакуум

Ароматические и хлорированные углеводороды, щелочи, аммиак (в бензине и ацетоне набухает)

-253*...+ 135*

Криогенная техника (уплотнения затворов)

Полиамид 610 Капрон Капролон В АТМ-2 Фенилон Графелон

Керосин, бензин, бензол, минеральные и органические масла, спирты, растворы моющих веществ, РЖ на водной основе

Концентрированные кислоты (в воде до 10% набухает)

-60...+ 80

-50...+90

-40...+ 100

-60...+ 100

-70...+250

-70...+310

Металлургия и ком- прессоростроение (прокладки, клапаны, манжеты УПС, защитные кольца УН и УПС, поршневые кольца компрессоров, торцовые УВ)

Полиимид

АМАН

Синтетические масла, топливо

Вакуум, радиация

Конпентрирован- ные кислоты и щелочи, кипящая вода

-200...+220*

-50...+200

Авиация, атомиая энергетика и вакуумная техника (клапаны)

Текстолит птк

Минеральные масла, слабые растворы кислот и щелочей

Концентрированные кислоты н щелочи

-40...+80

Компрессоростро- ение (клапаны, поршневые кольца УПС)

Графито- пласт АМС-1

Кислород

-60...+ 180

Компрессорострое- ние (клапаны)

Фторопласт-4 и композиции на его основе

Практически все жидкие и газообразные среды. Вакуум. Ограниченная доза радиации

Расплавленные щелочные металлы и их растворы в аммиаке; фтор, трехфтористый хлор

-269...+260*

Все отрасли машиностроения (прокладки, защитные кольца УПС, грязе- съемники, поршневые кольца компрессоров, клапаны, детали торцовых УВ)

Продолжение табл. 2.5

Пластмасса или ее основа

Рабочие среды

Диапазон рабочих температур, °C

Области применения (примеры)

совместимые

несовместимые

Фторопласт-40 и композиции на его основе

То же, при большей стойкости к радиации

То же

-100...+ 200

Атомная энергетика (прокладки, клапаны, детали торцовых УВ)

Фторопласт-3

Концентрированные кислоты и щелочи, окислители и растворители

Расплавленные щелочные металлы, фтор

-195*...+ 70

Холодильная и криогенная техника (прокладки и клапаны)

* Температура по химической термостойкости материала, необходим анализ возможности применения.’

Основные фнзико-механическне показатели пластмассТаблица 2.6

Наименование

Обозначение

Единица

Метод определения по ГОСТ

Плотность

р

г/см3

15139-69

Модуль упругости: при растяжении при сжатии при изгибе

Ер Ес ^изг

МПа

9550-81

Твердость

н

МПа

4670 - 77

Разрушающее напряжение: при растяжении при сжатии

арр ^р.с

МПа

11262-80 4651-82

Относительное удлинение: при разрыве при сжатии

ер.р £р.с

%

11262-80

4651-82

Т емпературы: плавления кристаллизации стеклования текучести хрупкости химического разложения

®пл 8кр $с 8т 9ХР (Т,р) 8?

°C

18995.4-73

18995.5-73

11645 - 73 16783-71

Температурный коэффициент линейного НИЯ

расшире-

«/

°C"1

15173-70

Удельная теплоемкость

С

Дж/ (кг-°C)

23630.3-79

Теплопроводность

X

Вт/ (м-°С)

23630.2-79

Ударная вязкость по Шарпи образца с

надрезом

пк

кДж/м2

4647-80

Водопоглощение по массе

9

4650 - 80

Коэффициент трения по стали

/

-

11629-75

= 500... 800 МПа; Я = 50 МПа; ар.р = = 22...45 МПа (Oppioo = 10... 15 МПа); Gp.c = 20 ..36 МПа; ер.р = 200...800%; 8,р < —70°C; 9Т = 125 °C — размягчение; а, = 10 4 °C"1; с = 2,3 кДж/(кг°С); £ = 0,418 Вт/(м°С).

ПЭВД по сравнению с ПЭНД имеет более низкие показатели (ГОСТ 16337 — 7?) при повышенных температурах: М = (18...35)103; р = 0,92... ...0,93 г/см3; 9Т = 108 — размягчение; 8хр ^ -70°C; £0 = £„ = 190...220 МПа; орр=12...16 МПа; <трР(_бо> =45 МПа; Ор.р(80) = 3,4...4,6 МПа; ор.с = 12,5 МПа; Ер.р = 150... 600 %; с = 2.3...2,9 кДж/ /(кг ■ °C); >. = 0,29 Вт/(м-°С). При высоком давлении (р, МПа): £(345) = 6,1£0; £(690) = 11,4£0. ПЭ характеризуется высокой стойкостью в неорганических средах — кислотах (кроме азотной), щелочах, растворах солей и спиртов. В бензине, бензоле, толуоле, галоидопроизводных углеводородах, жирах и ацетоне ПЭ Набухает, в некоторых органических средах растворяется [30]. В ароматических и хлорсодержащих углеводородах его прочность сильно снижается. ПЭ стоек к радиации. ПЭ перерабатывают литьем под давлением при 9 % 150... 180°C и р = 5... 10 МПа. Температурный диапазон эксплуатации уплотнителей из ПЭ от —60 до +80 °C. При эксплуатации ПЭ склонен к образованию трещин по мере развития процессов старения.

Полипропилен (ПП) — полужесткий термопластичный продукт полимеризации пропилена. При 9< + 160°С находится в частично кристаллическом состоянии. Химическая стойкость ПП аналогична стойкости ПЭ и немного ее превышает. Механические характеристики ПП выше, чем у ПЭ при 9 < 130... ... 140 °C; морозостойкость — от —15 °C. Температурный диапазон эксплуатации уплотнений из ПП от —5 до 100 °C — длительно, до 140 °C — десятки часов. ПП не рекомендуется применять в сильно окисляющих средах, он растворяется при 9 > 80 °C в ароматических и хлорированных углеводородах. ПП изготов

ляют по ТУ 6-05-1849 — 78, уплотнители получают литьем под давлением, прессованием, сваркой. Физико-механические показатели ПП: р = 0,9... 0,92 г/см3; 9m= 160...170°С; £0 = £р = 900 МПа; £изг = 110...130 МПа; Я = 62 МПа; арр = 32 МПа; орс=110 МПа; ерр = = 650%; а, = (16...20) НГ5 °C”1; с = = 0,9... 1,12 кДж/(кг ■ К). При высоких р, МПа: £ (345) = 4,5£0; Е (690) = 5£0.

Винипласт листовой (ГОСТ 9639 — 71) — термопластичный материал на основе поливинилхлоридной композиции (ПВХ); основная структурная цепь содержит звенья —СН2—СНС1—. Из него изготовляют прокладки, используемые в пищевой и химической промышленности (стоек к разбавленным кислотам и щелочам, растворам солей, спиртам и др.). Непригоден для сред ароматических и хлорированных углеводородов вследствие значительного набухания. Температурный диапазон эксплуатации 0.. .60 °C; р=1,38 г/см3; Ео = Ер = 300 МПа; Я = 1...2,5 МПа; орр = 50 МПа; Ор. с = 90 МПа: Ер.р=10%; 9С = = 8О...1О5°С; 9ПЛ = 160...210°С. При высоких р, МПа: Е (345) = 1,3£0; Е (690) = 1,7£0.

Пластикат поливинилхлоридный (ГОСТ 5960 — 72) — материал на основе поливинилхлоридной композиции (ПВХ) с пластификатором. Стоек в большинстве кислот и спиртах. Из него изготовляют прокладки, используемые в химической промышленности. Диапазон температур от —15 до 60 °C; р = = 1,21... 1,27 г/см3; 9хр = -40°С; ор.„ = = 14 МПа; ер.р = 340%.

Полиамиды (ПА) — термопласты на основе азотсодержащих соединений, имеющих в основной цепи полярные амидные группы (NH)...—NH—[СН2]— —NH—С—[СН2]у—С—..., отличаю

щиеся высокими механическими показателями и износостойкостью, высокой стойкостью к действию многих органических сред (растворителей) и удовлет-

верительной — к слабым кислотам и щелочам. Наличие в основной цепи полимера гетероатома —N = понижает химическую стойкость полимеров, которые, как правило, могут подвергаться гидролитической деструкции [63]. ПА недостаточно стойки к действию воды, сравнительно легко окисляются, особенно при нагревании и действии солнечной радиации. Из большого числа ПА в уплотнительной технике применяют полиамид 610, капролон В, композиционный материал — графитопласт АТМ-2. Полиамид 610 (ГОСТ 10589 — 73): р = 1,09... 1,11 г/см3; Ер = 1700 МПа, Н = 125 МПа; орр = 50...60 МПа; ер.р = 100%; а, = 11,7-10"5 °C1; 9ПЛ = = 215... 221 °C; ак = 80 кДж/м2. Из него изготовляют защитные кольца в паре с резиновыми манжетами, шевронные манжеты, седла клапанов и другие уплотнители УН и УПС, эксплуатируемые при 9= —60...70°C в среде керосина, бензина, нефтяных масел, растворов моющих веществ. Полиамид 610 перерабатывают литьем под давлением (9 = = 270 °C, р = 100 МПа) и прессованием. Ароматические полиамиды (АПА) — термопласты, содержащие в химической структуре основной цепи кроме амидных групп ароматические кольца, которые повышают их стойкость к воздействию органических растворителей [30]. АПА отличаются высокой прочностью и износостойкостью, тепло- и морозостойкостью. Фенилон марки С2 по ТУ 6-05-221-226-72 выпускают в виде порошка. Его перерабатывают методами прямого прессования и пресс-литья с последующей механической обработкой [58]. Из фенилона изготовляют поршневые кольца компрессоров, торцовые УВ и другие тяжело нагруженные уплотнители. Фенилон стоек к воздействию масел, бензина, слабых растворов кислот и щелочей, степень набухания в воде q < 10 % (при этом линейные размеры изменяются на 2%); р = 1,33 г/см3; Ер = 3100 МПа; Н = = 200 МПа; орр = 120 МПа; ерр = = 7%; 9пл = 430°С; а, = 3,5 ■ 10"5 °C"1;

X = 0,14 Вт/(м • °C). Фенилон и композиции на его основе склонны к старению в складских условиях, особенно при воздействии света. Графелон 20 — композицию графита с фенидоном — применяют для разрезных поршневых колец компрессоров, работающих при больших перепадах давлений в условиях трения без смазочного материала. Вследствие высокой упругости и малой хладотекучести графелона эти кольца не требуют силовых элементов — эспандеров. Физико-механические показатели: р = 1,3 г/см3; Ер = 4000 МПа; Н = = 300 МПа; ор р = 80 МПа; ер р = = 6,5%; aj = 4-10"5 °C"1.

Поликарбонаты (ПК) — термопласты на основе полиэфиров угольной кислоты. Выпускают дифлон по ТУ 6-05-1668 — 80, который перерабатывают литьем под давлением. Из него изготовляют уплотнители затворов криогенной арматуры. Дифлоны стойки к атмосферным воздействиям (включая тропики), теплостойки и светостойки; р = 1,2 г/см3; Ер = 2300 МПа; Н = 110 МПа; ор р = = 50...75 МПа; орс = 80... 120 МПа; Оизг = 80... 110 МПа; ак = 120 кДж/м2; Ер р = 70%; Эпл = 220°С; а, = 5,5 х х Ю"5^"1.

Полиимид марки ПМ-67 (ТУ П-622-69) — термореактивный сополимер ароматических диангидридов и диаминов — перерабатывают горячим прессованием и обрабатывают резанием. Отличается высокой стойкостью к радиации и инертностью в среде топлив и синтетических РЖ, поэтому его применяют для уплотнений клапанов в атомной энергетике. Нестоек в среде концентрированных кислот и щелочей, а также в воде при высокой температуре [64]; р = 1,4 г/см3; Ер = 5000 МПа; Н = 230 МПа; пр.р = 100 МПа; ер.р = = 4... 14%; 9Z = 427°C; а, = = 3,2 ■ 10"5 °C"1; X = 0,76 Вт/(м■ °C).

Выпускают композиции полиимидов с графитом, нитридом бора, дисульфидом молибдена, обладающие повышенными характеристиками и применяемые для несмазываемых УПС и УВ

Фторопластр>, г/см3Ернаррв, %ЭшЭст/105, °C-1, При -10...100 °CВт м-°СМПа°сФторопласт-42,184103520470327-120*140,25Фторопласт-401,712006044270270-100*110,2Фторопласт-32,12146012038702105080,1Ф-4К202,168003912,7120——140,5Ф-4К15М52,198003915,2150——140,5Ф-4С152,215004913,7300_—140,5АФГ-80ВС2,0750606———100,6АМИП-15М2,35640451,2100—-—110,6АМИП-30М2,35——515——100,5Ф-4К15УВ52,05—501860——110,5Флубон-202,051290501715——6,60,5Ф-40С15М1,51,8—472426——7,90,2Фторопластр>, г/см3Ернаррв, %ЭшЭст/105, °C-1, При -10...100 °CВт м-°СМПа°сФторопласт-42,184103520470327-120*140,25Фторопласт-401,712006044270270-100*110,2Фторопласт-32,12146012038702105080,1Ф-4К202,168003912,7120——140,5Ф-4К15М52,198003915,2150——140,5Ф-4С152,215004913,7300_—140,5АФГ-80ВС2,0750606———100,6АМИП-15М2,35640451,2100—-—110,6АМИП-30М2,35——515——100,5Ф-4К15УВ52,05—501860——110,5Флубон-202,051290501715——6,60,5Ф-40С15М1,51,8—472426——7,90,2Физико-механические и теплофизические показатели фторопластовТаблица 2.7Физико-механические и теплофизические показатели фторопластовТаблица 2.7* Для аморфной фазы полимера* Для аморфной фазы полимера

Фторопласт

р>, г/см3

Ер

н

арр

в, %

Эш

Эс

т/105, °C-1, При -10...100 °C

Вт м-°С

МПа

°

с

Фторопласт-4

2,18

410

35

20

470

327

-120*

14

0,25

Фторопласт-40

1,7

1200

60

44

270

270

-100*

11

0,2

Фторопласт-3

2,12

1460

120

38

70

210

50

8

0,1

Ф-4К20

2,16

800

39

12,7

120

—

—

14

0,5

Ф-4К15М5

2,19

800

39

15,2

150

—

—

14

0,5

Ф-4С15

2,21

500

49

13,7

300

_

—

14

0,5

АФГ-80ВС

2,0

750

60

6

—

—

—

10

0,6

АМИП-15М

2,35

640

45

1,2

100

—-

—

11

0,6

АМИП-30М

2,35

—

—

5

15

—

—

10

0,5

Ф-4К15УВ5

2,05

—

50

18

60

—

—

11

0,5

Флубон-20

2,05

1290

50

17

15

—

—

6,6

0,5

Ф-40С15М1,5

1,8

—

47

24

26

—

—

7,9

0,2

Фторопласт

р>, г/см3

Ер

н

арр

в, %

Эш

Эс

т/105, °C-1, При -10...100 °C

Вт м-°С

МПа

°

с

Фторопласт-4

2,18

410

35

20

470

327

-120*

14

0,25

Фторопласт-40

1,7

1200

60

44

270

270

-100*

11

0,2

Фторопласт-3

2,12

1460

120

38

70

210

50

8

0,1

Ф-4К20

2,16

800

39

12,7

120

—

—

14

0,5

Ф-4К15М5

2,19

800

39

15,2

150

—

—

14

0,5

Ф-4С15

2,21

500

49

13,7

300

_

—

14

0,5

АФГ-80ВС

2,0

750

60

6

—

—

—

10

0,6

АМИП-15М

2,35

640

45

1,2

100

—-

—

11

0,6

АМИП-30М

2,35

—

—

5

15

—

—

10

0,5

Ф-4К15УВ5

2,05

—

50

18

60

—

—

11

0,5

Флубон-20

2,05

1290

50

17

15

—

—

6,6

0,5

Ф-40С15М1,5

1,8

—

47

24

26

—

—

7,9

0,2

Физико-механические и теплофизические показатели фторопластовТаблица 2.7

Физико-механические и теплофизические показатели фторопластовТаблица 2.7

* Для аморфной фазы полимера

* Для аморфной фазы полимера

в вакууме. Полиимиды дефицитны и склонны к старению при повышенной температуре.

Текстолит — слоистый листовой материал, изготовляемый горячим прессованием хлопчатобумажной ткани, пропитанной синтетической смолой термореактивного типа (феноломальдегидной и др.) и снабженной присадками. Текстолит поделочный конструкционный ПТК (по ГОСТ 5-78) [р= 1,3... 1,4 г/см3; Ер = 3900... 6400 МПа; Н = 300 МПа; Ор р = 100 МПа; ор с = 150 МПа; Еизг = = 140 МПа; ер р = 1 %; 9z = 200°C; а, = (2,0... 4,1) КГ 5 °C1; X = 0,21 Вт/ (м°С)] выпускают в виде плит, стержней и трубок, применяют для клапанов, прокладок, поршневых колец, изготавливаемых механической отработкой. Достаточно стоек в среде масел, топлив, слабых растворов кислот и щелочей при Э = —40... 80 (100) °C, имеет хорошие антифрикционные свойства и высокую износост ойкость.

Графитопласт (ГПл) — материал на основе эпоксидно-кремний-органической смолы с антифрикционными наполнителями.

ГПл марки АМС-1 по ТУ 48-20-45-83 (р=1,77 г/см3; /7 = 400 МПа; орр = = 50МПа;а( = 4- КГ^С"1;X = 0,35Вт/ (м-°С) применяют для УПС кислород

ных компрессоров [58]. АМАН — многокомпонентный материал на основе полимеров новых типов с высокой термохимической и радиационной стойкостью, предназначенный для уплотнений, работающих в условиях трения без смазочного материала, высокого вакуума и радиации [86]. АМАН марки эстеран-1 имеет показатели: р = 3,6 г/см3; Н = = 250 МПа; ор р = 80 МПа; а( = = 104 °C"1; X = 0,43 Вт/(м • °C).

Фторопласты — пластмассы на основе полимеров и сополимеров галогенопроизводных (фтора или фтора и хлора), этилена и пропилена. В уплотнительной технике используют фторопласт-4, фторопласт-40, фторопласт-3 и антифрикционные композиции на основе фторопласта-4 (табл. 2.7). Особенность фторопластов — исключительно высокая химическая инертность в большинстве рабочих сред (инертность фторопласта-4 превышает инертность всех остальных пластмасс, благородных металлов, стекол и фарфора). Замечательны антифрикционные свойства фторопластов. Их применяют в широком диапазоне температур, однако теплофизические и конструкционные их свойства при этом существенно изменяются, что необходимо учитывать в конструкциях [89, 94].

Фторопласт-4 — пластмасса на основе ПТФЭ. Его выпускают по ГОСТ 10007 — 80 в виде порошка, который подвержен терморазложению при 9г > 415 °C и перерабатывают методом предварительного формования при 9 = 20...30°С, р = 25...35 МПа и последующего спекания заготовок без пресс-форм при 375 °C. Свободное спекание обеспечивает в материале заготовки практическое отсутствие пор и внутренних напряжений. Свойства заготовок [89] по ТУ 6-05-810-76 приведены в табл. 2.7. Трубчатые заготовки повышенной точности изготовляют по ТУ 6-05- -1876 — 79, пленку — по ТУ 6-05-757 — 81 [89]. Основа фторопласта-4 — линейный термопластичный частично кристаллический (9„л « 327 °C) полимер со степенью кристалличности Кр = 0,45... 0,8. Значение Кр зависит от скорости охлаждения после спекания заготовки: при быстром охлаждении — закалке Кр % « 0,45 (получается закаленный материал с р = 2,12...2,15 г/см3); при медленном охлаждении вместе с печью Кр ^ 0,8 (р = 2,18...2,25 г/см3). Закаленный материал мягче и пластичнее обычного, однако его свойства не стабильны во времени — при эксплуатации показатели постепенно снижаются, поэтому из закаленного фторопласта-4 изготовляют только детали, эксплуатируемые при низких температурах. Наличие в струк-

Рис. 2.22. Температурная зависимость коэффициента линейного расширения фторопласта-4

туре фторопласта-4 аморфной фазы, для которой Эсаг —120 °C, обусловливает его относительную мягкость (Н » 35 МПа) и отсутствие хрупкости. Хрупкость не проявляется даже при 9 =—269 °C, поэтому в исключительных случаях эксплуатации при условии стабильности температуры фторопласт-4 можно использовать в температурном диапазоне — 269°C...+260°C. При этом уплотнения могут терять герметичность вследствие изменения параметров а(, Ео, Н и др. (табл. 2.8). Температурный коэффициент линейного расширения oq фторопласта-4 с повышением температуры изменяется не монотонно (рис. 2.22). Пик на кривой в области 9 = 20 °C связан с преобразованием его кристаллической структуры. Модуль Ес фторо-

Таблица 2.8

Зависимость показателей фторопласта-4 (Ф-4), фторопласта-40 (Ф-40) и фтороплас та-3 (Ф-3) от температуры

Темпе-

арр, МПа

Ер.р> /о

Ес, МПа

а;105, °C

°C

Ф-4

Ф-40

Ф-3

Ф-4

Ф-40

Ф-3

Ф-4

Ф-40

Ф-3

Ф-4

Ф-3

--60

—

—

—

—

—

21

1800

—

1810

8

6

-50

—

—

—

—

158

—

—-

—

—

8

6

-40

34

64

81

70

180

28

1700

—

1780

8

6

-20

32

51

75

100

203

28

1500

—

1710

8

6

-0

29

47

54

150

230

—

1100

—

1630

10

6

+20

20

44

38

470

270

70

700

700

1500

25

6

+40

18

41

28

650

279

65

450

550

1270

12

6

+ 60

—

40

20

—

400

430

330

—

880

И

8

+ 80

13

32

14

600

460

830

240

400

550

11

10

+ 100

11

27

8

540

535

840

170

275

280

11

10

пласта-4 резко уменьшается с повышением 9 (см. табл. 2.8), увеличивается с повышением р: Ео = Ес = = 700 МПа; £(345) = 3,9£0; £(690) = = 5Е0 (соответственно меняется Н и Стр.р) [89]. Практический температурный диапазон эксплуатации прокладок из фторопласта-4 —195...+200°C. Фторопласт-4 не горит, не растворяется и практически не набухает во всех жидких и газообразных средах (см. подразд. 6.5), за исключением элементарного фтора, трехфтористого хлора, расплавленных щелочных металлов и их растворов в аммиаке при повышенной температуре. Вследствие химической инертности фторопласт-4 стоек в тропическом климате и практически не подвергается старению в обычных условиях, поэтому гарантийный срок сохранения показателей качества при эксплуатации и хранении превышает 20 лет [89]. Коэффициент трения / фторопласта-4 при трении без смазочного материала (см. подразд. 1.4) мал, причем незначительно зависит от г и существенно от р (/ «0,06р-л, где и = 0,4... ...0,6), и отличается стабильностью при страгивании. Фторопласт-4 имеет низкую стойкость к радиации. Хладотекучесть фторопласта-4 значительна и интенсивно увеличивается [94] с повышением 9. В связи с этим для УН и УПС, УВ с очень малыми с контактные давления рк ограничивают: рк < 7 МПа при 20°С; 3,5 МПа при 100°С; 1,8 МПа при 200 °C и 1,4 МПа при 250 °C. При больших значениях v и pv вследствие низкой теплопроводности [X« % 0,25 Вт/(м ■ К)] необходимо учитывать температуру в зоне контакта. Деформация уплотнителей из фторопласта-4 развивается лишь в первые часы приложения нагрузки, а затем стабилизируется.

Фторопласт-40 — термопласт на основе ПТФЭ и ПЭ (9„ = 270 °C), перерабатываемый высокопроизводительными методами горячего и литьевого прессования, экструзии, литья под давлением. Фторопласт-40 уступает

фторопласту-4 по теплостойкости и антифрикционным показателям, но имеет повышенные допустимую стойкость к радиации и прочность и сохраняет исходные свойства после выдержки 1000 ч при 200 °C. При эксплуатации допустим кратковременный перегрев до 250 °C. По химической стойкости фторопласт-40 почти не уступает фторопласту-4 и имеет одинаковые с ним атмосферостойкость и стойкость к грибкам. Хладотекучесть у фторопласта-40 отсутствует. Для уплотнителей используют главным образом композиции фторопласта-40. Так, смесь с ситаллом и дисульфидом молибдена Ф-4ОС15М1,5 (ТУ 01-55-4-72), имеющую повышенную износостойкость, применяют для подвижных уплотнений, испытывающих воздействия ионизирующих излучений, в условиях трения без смазочного материала и при смазывании водой или агрессивными жидкостями [89]. Физико-механические показатели — см. табл. 2.7.

Фторопласт-3 — термопласт на основе ПТФХЭ (9т1=210°С, 9с=+50°С) отличается от фторопласта-4 большей твердостью и прочностью (см. табл. 2.7) и высокой технологичностью благодаря возможности переработки литьем под давлением. Фторопласт-3 практически не проявляет хладотекучести, имеет высокую химическую стойкость к действию концентрированных кислот, щелочей, окислителей, не растворяется при нормальной температуре ни в одном из растворителей, набухает только в хлорированных углеводородах и простых эфирах, разлагается под действием расплавленных щелочных металлов и элементарного фтора при высокой температуре. Стойкость к радиации выше, чем у фторопласта-4. Антифрикционные свойства значительно хуже, чем у фторопласта-4, поэтому область его применения ограничивается УН и клапанами для топливной, криогенной и холодильной аппаратуры [90].

Антифрикционные композиционные материалы. Общие закономерности трения пластмасс (см. подразд. 1.4) подчиняются

Таблица 2.9

Антифрикционные характеристики пластмасс при трении без смазочного материала

Пластмасса или ее основа

/

Л max. МПа

г, м/с

(р к Отах» МПа м/с

Полиамид 610

0,28

3,0

0,5

0,15

Капрон

0,34

2,0

0,2

0,10

Капролон В

0,40

5,0

0,5

2,5

Графитопласт АТМ-2

0,30

2,5

3,0

3,5

Графитопласт АМС-1

0,10

3,0

2,0

3,0

Текстолит ПТК

0,30

5,0

1,0

1,0

Полиимид ПМ-67

0,35

5,0

0,6

3,0

Дифлон

0,30

—

—

—

Фенилои С2

0,40

2,5

1,0

1,5

Графелон-20

0,20

10,0

2,0

5.0

Эстеран-1

0,05

20,0

—

—

закономерностям трения полимеров в застеклованном или частично кристаллическом состоянии. Для различных композиционных материалов в табл. 2.9 приведены коэффициенты трения / (ГОСТ 11629 — 75) и предельно допустимые значения контактного давления рк, скорости скольжения г, критерия мощности трения ркг в условиях трения без смазочного материала.

Антифрикционные композиции на основе фторопластов получают добавкой различных наполнителей (табл. 2.10). Введение наполнителей уменьшает хладотекучесть фторопластов, повышает коэффициент трения / и износостойкость, не влияя на их химическую стойкость. Заготовки из композиций получают аналогично заготовкам фторопласта-4, детали изготовляют механической обра-

Таблица 2.10

Антифрикционные композиции и заготонкн на осноне фторопластов

Основа композиции

Марка

ТУ, ОСТ

Наполнители

Фторопласт-4

Ф-4К20

ТУ 6-05-1412-76

Нефтяной кокс КЛ-1 (20%)

Ф-4К15М5

Кокс КЛ-1 (15%), молибденит (5%)

Ф-4С15

ТУ 6-05-1412-76

Стекловолокно (15%)

АФГ-80ВС

ОСТ 48-75-73

Графит АРВ-1 (20%)

АМИП-15М

ТУ П-407 - 65

Ситалл (15 %), молибденит (3%)

АМИП-30М

Ситалл (30%), молибденит (3%)

Ф-4К15УВ5

—

Кокс (15%), углеволокно (5%)

Флубон-20

ТУ 6-05-14-65-73

Углевод окно 20%

Фторопласт-40

Ф-40С15М1,5

ТУ 01-55-4-72

Ситалл (15%), молибденит (1,5%)'

Таблица 2.11

Антифрикционные характеристики композиций на основе фторопластов прн трении без смазочна о материала

Основа композиции

/

Рк

V

Рк»

I*

Фторопласт-4

0,04

0,7

0,5

0,06

1

Фторопласт-40

0,1

0,7

0,5

0,05

15

Фторопласт-3

0,3

0,4

0,5

0,02

—

Ф-4К20

0,2

10

5

1,1

625

Ф-4К15М5

0,2

12

5

1,1

1000

Ф-4С15

0,25

7

5

0,5

250

АФГ-80ВС

0,25

1

0,5

0,5

250

АМИП-15М

0,25

2

0,5

1

—

АМИП-30М

0,3

—

—

—

—

Ф-4К15УВ5

0,2

—

—

—

1000

Флубон-20

0,2

3

1

3

2000

Ф-40С15М1,5

0,23

1,5

1

1,5

100

Примечание. I* — относительная износостойкость. принятая за единицу для фторопласта-4.

боткой (при точении обеспечивается поверхность с Ra = 0,4... 0,8 мкм). Эти композиции работоспособны в тех же средах и диапазонах температур, что и фторопласт-4, однако при эксплуатации УПС и УВ из этих материалов необходимо учитывать нагрев в местах трения. При местном повышении температуры до 9 > 327 °C значение / резко увеличивается и происходит интенсивное изнашивание. Данные для сравнения антифрикционных характеристик композиции на основе фторопластов приведены в табл. 2.11 (рк в МПа, г в м/с).

В реальных УПС допустимые значения рк, v и pKv зависят от условий теплоотвода в местах трения. Поверхности контртела пар трения необходимо полировать или выглаживать (до Ra < < 0,2 мкм). Твердость контртела HRC 30...40, для уплотнителей из АМИП и Ф4С15 HRC55 [89].

Герметики

Герметики широко применяют в УН баков, корпусов, резьбовых и фланцевых соединений, которые не предусмотрено разбирать во время эксплуатации. В УН, подлежащих периодической разборке (для регулирования или смены масла), их применение нецелесообразно, так как возникает необходимость удалять остатки

герметика, промывать поверхности деталей и снова наносить на них герметик. По внешнему виду, физическим и технологическим свойствам герметики подразделяют на самовулканизирующиеся, высыхающие, невысыхающие и анаэробные. Принцип действия уплотнений с герметиками основан на заполнении неплотностей между стыками деталей первоначально вязкотекучими составами, нанесенными на соприкасающиеся поверхности. В процессе сборки в промежуточном слое создается давление, под действием которого состав заполняет все неплотности, а его избыток вытесняется наружу. В самовулканизующихся герметиках в течение некоторого времени происходит процесс вулканизации при нормальной или повышенной температуре, в результате чего они превращаются в резиьоподобные эластичные материалы. В них сочетаются свойства очень тонких резиновых прокладок и клеев. Однако адгезия герметиков значительно меньше, чем у клеев, поэтому соединение сохраняет способность к разборке. Свойства уплотнений с невысыхающими герметиками (замазками) подобны свойствам жидких уплотнений, в которых благодаря очень высокой вязкости композиции (5 • 103 — — 2-105 мПа-с) обеспечивается герметичность при действии перепада давлений. При некотором давлении возникает предельная деформация стыков, вызывающая разгерметизацию. Механизм разгерметизации аналогичен механизму разгерметизации уплотнений с прокладками (см. подразд. 3.4). Для оценочных расчетов можно использовать условия: Кгрку < ор; КГЕтах < < Ер, где КТ — коэффициент запаса, учитывающий неоднородность стыка; рку— условное контактное давление в стыке; Стр — предел прочности герметика при растяжении; ер — относительное удлинение при разрыве.

Предельная деформация Етах зависит от действующих на соединение нагрузок, температурных деформаций и вибрации, поэтому трудно поддается расчету.

Таблица 2.12

Области применения герметиков различных типов

Тип герметика

Рабочая среда

Температурный диапазон эксплуатации, °C

Область применения

совместимая

несо вместимая

Тиоколовые

Нефтепродукты, масла, бензин, топлива реактивные, слабые кислоты, глицерин, этиленгликоль

Синтетические, РЖ, бензол, стирол, толуол, анилин, ацетон и др.

-40...+ 100

( — 60...+ 130)*

Машиностроение, авиация, судостроение

Фторкаучуко- вые

Синтетические РЖ, топлива, горячие газы и воз- дух

-25...+200

(-25... + 300)*

Авиация, химическая промышленность

Фторсилоксановые

—

-60...+200 (—60... + 250)*

Силоксановые

Воздух, газы, пары воды

Ароматические и хлорсодержашие углеводороды, нефтепродукты

-60...+250

Приборостроение (влагозащита)

Уретановые

Вода, минеральные масла

-70...+ 70

Горная промышленность, судостроение — пленки на деталях, подверженных гидро- абразивному изнашиванию

В скобках указан температурный диапазон кратковременной эксплуатации.

Обычно разгерметизация жидких прокладок наступает при деформации 0,05 — 0,1 мм и давлении 0,05 — 0,15 МПа. Для самовулканизующихся составов аР «2 МПа; ер «250%.

Как правило, уплотнения с герметиками применяют в конструкциях без существенного избыточного давления.

Самовулканизующиеся герметики [45, 77, 78] состоят из двух (иногда трех) компонентов, смешиваемых перед употреблением. Основной компонент — один из жидких низкомолекулярных каучуков с ингредиентами, второй — вулканизующий агент. Иногда в герметик вводят смолы для придания адгезионных свойств. Совместимость со средой и температурный диапазон эксплуатации обусловлены в основном свойствами

каучука, поэтому герметики часто называют по типу каучука: тиоколовые (полисульфидные), силоксановые, фтор- каучуковые и т. д. Области применения и ориентировочные температурные диапазоны работоспособности герметиков указаны в табл. 2.12. Принципы составления рецептур герметиков и резиновых смесей аналогичны. Физикомеханические свойства герметиков даны в табл. 2.13.

Тиоколовые герметики на основе жидких полисульфидных каучуков-тиоколов наиболее распространены в машиностроении для уплотнений, работающих в среде нефтепродуктов и слабых кислот в диапазоне —40...+100 °C (ограничено — 60... +130 °Q. Тиоколы — вязкие жидкости с М = 1700... 5500,

4 Под сед. А. И. Голубева и Л. А. Кондакова

Таблица 2.13

Физико-механические свойства герметикой

Тип герметика

Марка герметика

Плотность, кг/м3

Ср, МПа

е, %

Твердость, 1RHD

Тиоколовые

У-30М

1450

2,5-4,0

150-300

50-60

У-30МЭС-5

1450

1,5-3,0

200 -400

40-60

У-ЗОМЭС-Ю

1450

1,2 -2,0

220 - 500

25-40

УТ-31

1950

2,0-3,5

175-300

50-65

51 УТ-37

1400-1550

2,0-4,0

150-350

40-55

Силоксановые

У-1-18

2200

2,0

160

50-60

У-2-28

2200

1,8

200

40-50

У-4-21

1350

1,5

100

40-50

КЛ-4

1000

0,1-1,0

80-100

—

КЛТ-30

1150

0,8

120

60-70

КЛВАЕ

—

1,0

130

50-65

Фторсилоксановые

ВГФ-1 и ВГФ-2

—

1,5

100-120

—

51-Г-15

1450

0,8

100

—

51-Г-16

1400

1,0

70-100

—

Фторкаучуковые

51-Г-1

1900

3,0-5,0

200-300

—

51-Г-2

1800

2,0-3,5

200-600

—

51-Г-9

1900

2,0-6,0

200 - 350

—

Уретановые

УГ-2

1140

11-15

350 - 450

53-55

УГ-3

1100

10-12

400 -450

71-76

УГ-5

—

14-17

400-500

65-70

УГ-6

950-770

18-28

300-400

90-95

р «1300 кг/м3, содержащие в молекулах сульфгидрильные группы SH (1,6... 4,3 %). Они способны вулканизоваться на воздухе при обычной температуре, образуя маслобензостойкие резины. При вулканизации группа SH

окисляется до сульфидных групп за счет кислородсодержащих компонентов вулканизатора (диоксида марганца и диоксида свинца). Характеристики наиболее распространенных отечественных тиоколовых герметиков даны в табл. 2.14.

Таблица 2.14

Характеристики тиоколовых н эпоксидно-пюколовых герметиков

Марка (ГОСТ или ТУ)

Цвет

Область применения

Температурный диапазон эксплуатации, °C

У-30М (ГОСТ 13489-79)

Черный

Машиностроение, авиация, су- лостроение (эластичные соединения между деталями)

-60...+ 130

У-30МЭС-5*

(ТУ 38-105462-72)

Черный

-60...+ 150

51 УТ-37 (ТУ 38-105507-76)

Коричневый

Судостроение

-40...+ 100

УТ-32

ТУ 38-105462 - 72

Серый

Авиация, судостроение (заклепочные соединения)

-60...+ 130

* С эпоксидной смолой.

Тиоколовые составы наносят на стальные детали и алюминиевые сплавы; для меди и латуни они не пригодны. Степени набухания наиболее распространенного герметика У-ЗОМ за 250 ч при 20 °C, в % (по массе): в бензине —0,9; в топливе Т1 + 3,4; в масле СУ — 2,7; в скипидаре +11,8; в масле трансформаторном —2,6; в глицерине —0,8; в спирте этиловом —0,8; в спирте бутиловом +1. Набухаемость герметиков можно немного уменьшить, если проводить их вулканизацию при 100—130°C. Герметик У-30М, нанесенный на хлорнайритовый грунт, может выполнять антикоррозионные защитно- герметизирующие функции. Тиоколовые герметики не дефицитны и технологичны.

Фторкаучуковые герметики (см. табл. 2.12 и 2.13) отличаются сочетанием высокой термостойкости (до 300 °C) с исключительной стойкостью к действию синтетических рабочих жидкостей и топлив, нефтепродуктов и воды [13, 41, 45, 77]. Плохие технологические свойства, большая усадка, длительная вулканизация (до 14 суток), необходимость применения растворителей, высокая стоимость этих герметиков ограничивают области их применения для поверхностной герметизации (например, топливных отсеков). Фторкаучуковые герметики — двухкомпонентные композиции. Они состоят из раствора резиновой смеси на основе СКФ в органическом растворителе (чаще всего в метил этил кетоне или циклогексаноне) и вулканизующего агента. В качестве наполнителей в резиновую смесь вводят двуокись титана, фторид кальция и др. Для усиления адгезии к металлам применяют специальные клеевые подслои.

Невысыхающие герметики (замазки) используют главным образом для разъемных соединений (фланцевых, резьбовых и т. п.). Наибольшее распространение получили полиизобутиленовые замазки У-20А, У-22, 51-Г-6, 51-Г-7, предназначенные для эксплуатации на воздухе (транспорт, авиация). Они хими

чески стойки в кислотах и щелочах, но не стойки в топливах и маслах. Замазки на основе полиизобутилена содержат 5 — 15% полимера, 50—75% наполнителя (мела, асбеста, белил и др.), 12 — 25% нефтяных масел для придания жидкой консистенции (для придания клейкости добавляют канифоль и эпоксидную смолу). Температурный диапазон эксплуатации — 50...+70 °C (при большей температуре размягчаются, а затем растрескиваются). Перед нанесением на соединение замазки нагревают до температуры + 30... + 50 °C.

Анаэробные герметики [77, 79] — системы на основе анаэробных смол, полимеризующихся в условиях отсутствия кислорода воздуха. Кроме основы (акрилового или метакрилового ряда) они содержат инициатор и ускоритель полимеризации, ингибитор, модифицирующие добавки, краситель. Эти композиции длительное время могут находиться в жидкотекучем состоянии в присутствии кислорода, что позволяет выпускать их готовыми для использования и хранить в стеклянной или пластмассовой таре, частично заполненной воздухом.

В узких щелях с герметиком вследствие отсутствия кислорода и контакта с очищенными поверхностями активных металлов происходит полимеризация — отверждение состава. В случае инертных контактирующих материалов (кадмиро- ванных, оцинкованных, неметаллических), а также для сокращения времени полимеризации поверхности предварительно обрабатывают специальными активаторами — растворами солей металлов переменной валентности или аминов. Время отверждения: без активатора на стали — 48 ч; то же, на алюминии — 74 ч; с активатором на всех металлах и при температуре 20 °C — 6 ч; то же, при 80 °C — 1 ч. После отверждения образуется материал с хорошими механическими свойствами уплотнителя, стойкий к воздействию многих химически активных сред (воды, масел, топлив, кислот, щелочей, хладо-

нов) и вибрации при большом перепаде давлений сред. Предел прочности анаэробных герметиков на сдвиг обычно составляет 3 — 10 МПа, адгезионная прочность оа = 2... 5 МПа. Благодаря малой вязкости жидких составов (102 — ЗЮ3 мПа с) они легко проникают в зазоры резьбовых и фланцевых соединений, трещины в отливках и сварных швах, упрощая технологию герметизации. Анаэробные герметики широко применяют в соединениях различных трубопроводов, главным образом в судостроении [79]. В резьбовых соединениях они резко повышают коэффициент трения (от 0,2 до 0,7), обеспечивая надежное стопорение в условиях вибрации при сохранении возможности демонтажа обычными ключами.

Анаэробные герметики (ТУ 6-01-2370-74, ТУ 7-01-2-309-74 и др.) отличаются в основном вязкостью и прочностью композиций (табл. 2.15). Герметики подбирают по вязкости в зависимости от зазора в соединении: маловязкие герметики 125Р и 125Ц применяют при зазоре до 0,15 мм, герметик 6В — до 0,2 мм, герметики 25В и 25ВС — до 0,25 мм в цилиндрических соединениях и до 0,6 мм в резьбовых. Адгезионная прочность герметиков при сдвиге сильно зависит

от зазора: для герметика 125Р при зазоре 0,02; 0,2; 0,4 мм соответственно ста = 5,0; 1,3; 0,9; для герметика 25В при зазоре 0,02; 0,2; 0,4; 0,6; 1,0 соответственно оа = 5,4; 4,4; 3,3; 2,3; 0,4. Герметики 125Р, 125Ц, 6В, 25В, 25ВС водостойки, маслобензостойки, вибростойки и тропикостойки в пределах установленных норм. Время от момента приготовления до использования для них не менее 12 мес.

Рабочие жидкости

для гидравлических систем

Жидкость выполняет в гидросистеме важные и многосторонние функции. В гидроприводе и гидропередаче жидкость является рабочим телом (РЖ), в парах трения — смазочным и охлаждающим агентом, средой, удаляющей продукты изнашивания и обеспечивающей при длительной эксплуатации защиту деталей от коррозии. Вязкость РЖ является наиболее важным показателем, определяющим большинство эксплуатационных свойств (виды смазки, трения и изнашивания, характер утечек, пусковые характеристики), поэтому ее значение (обычно при 9 = 50 °C) указывают в обозначении марки РЖ, например АМГ-10, МГЕ-10.

Для гидравлических систем разного назначения используют РЖ четырех

Характеристики анаэробных герметиков

Таблица 2.15

Показатель

Значение показателя для герметика

125Р

125Ц

6В

25В

25ВС

Цвет

Бесцветный

Красный

Голубой

Вязкость при 20 °C, мПа-С

125

125

6000

25000

25000

Предел прочности, МПа, на стали:

при сдвиге резьб

8-10

4-6

8-10

8-10

3-4

при сдвиге цилиндров

7,5-10

5-7

10-12

9-10

4-6

Температурный диапазон

-40...+ 100

(кратковременно +120 °C)

эксплуатации, °C Набухание за 30 сут., %: в масле

1,0

0,3

0,2

в топливе

1,1

—

0,3

0,5

—

и воде

4,0

9,0

8,0

—

Таблица 2.16

Вязкое гно-температурные характеристики рабочих жидкостей

Группа

Жидкости (примеры марок)

Тем перату рный диапазон эксплуатации, °C

Кинематическая вязкость v, мм2/с, при 9, °C

Vmax, ММ2/С (при 8. °C)

100

80

50

20

0

1.1

Нефтяные Маловязкие

-70...+ 70

1,6

3

3,8

8

15

300 (-50)

1.2

(МГЕ-4А) Средневязкие (АУ,

-25...+120

3,7

5,5

13

50

200

1400 (-20)

1.2А

АУП)

Всесезонные:

АМГ-10

-60...100

4,3

5,5

10,3

22

50

1150 (-50)

1.2Б

ВМГЗ

-40...+ 100

4

5,6

10,5

30

75

2100 (-40)

1.3

Вязкие (Шелл-27)

-20...+ 150

7,2

10,5

27

105

400

2450 (-20)

2.2

Синтетические

Средневязкие (Б-ЗВ)

-30...+ 180

5

7,2

18

60

180

1000 (-20)

2.2

Водно-глицериновые (ПВГ)

Всесезонные

-30...+ 60

—

7,6

13

48

160

980 (-20)

2.2А

-60...+ 150

4,2

6,0

10

22

45

1400 (-50)

2.3

(7-50С-3)

Вязкие (П20М1)

-

—

—

20

70

220

4000 (-30)

групп (табл. 2.16): маловязкие с v50 = = 4... 5 мм2/с и V-5Q = 500 (группа 1.1); всесезонные с v50 = Ю и v_50^ ^ 1500 (группа 1.2А); средневязкие с v50 = 15 и v_5o^4000 (группа 1.2); вязкие с v50 = 25... 30 мм2/с (группа 1.3). Кроме нефтяных используют синтетические всесезонные и вязкие РЖ для работы при повышенных температурах, негорючие РЖ и эмульсии для гидросистем промышленных установок [35, 55]. Совместимость РЖ с эластомерными материалами (см. подразд. 6.3) оценивают по анилиновой точке (АТ) согласно ИСО 2977 — 74.

Для гидросистем общепромышленного назначения применяют индустриальные масла общего назначения без присадок И-12А, И-20А, И-30А, И-40А, И-50А (ГОСТ 20799 - 75).

В гидросистемах, работающих при 9>60°С и р^15...2О МПа, применяют в основном турбинные масла Тл = 22, Тп = 30 и Та = 46 (ГОСТ 9972 — 74) из парафиновых малосернистых и сернистых нефтей с анти- окислительной, противокоррозионной и противопенной присадками. Их заменители: турбинные масла Т22, Т30, Т46

(ГОСТ 32 — 74), не содержащие присадок и требующие поэтому более частой замены. В гидросистемах с тяжело нагруженными элементами, работающих при р = 16...35 МПа, рекомендуется использовать масла ИГП-18, ИГП-30, ИГП-38, ИГП-49 (ТУ 38-101413 — 73) с улучшенными противо- износными, антиокислительными, проти- вопенными и антикоррозионными свойствами. Эти масла изготовляют на основе глубокоочищенных базовых масел (дистиллятных, остаточных и их смесей) из сернистых и малосернистых нефтей с композицией присадок ДФ-11, ионол, В15/41, ПМС-200А.

В гидроприводах кузнечно-прессовых машин и в гидросистемах горных машин используют негорючие водные эмульсии «масло в воде»: 2 — 3% эмуль- сола в смягченной воде. В состав эмульсола входит минеральное масло с добавкой (для улучшения противоизнос- ных свойств) 12—14% олеиновой кислоты и 2,5 % едкого натра. Недостатками эмульсий типа «масло в воде» являются малая вязкость, низкая смазочная способность, высокая коррозионная активность и ограниченная температура.

Значительно лучше свойства негорючих жидкостей типа «вода в масле», в которых в среде масла диспергировано около 40% водного состава с присадками, обеспечивающими стойкость эмульсии. Такие обводненные масла лишь незначительно уступают минеральным маслам по коррозионной стойкости и смазочным свойствам, но обеспечивают негорючесть.

Нефтяные РЖ. Для гидросистем объектов, работающих в полевых условиях (транспортных, сельскохозяйственных и строительно-дорожных машин, палубных судовых установок, стационарных полевых сооружений и т. п.), используют жидкости на нефтяной основе. В зависимости от климатической зоны диапазон изменения температуры окружающей среды может составлять ДЭ0 = = 100... ПО °C, при этом температура масла при работе достигает 9 = = 150... 160 °C, поэтому необходимо масло с пологой вязкостно-температурной характеристикой. Для обеспечения пуска насосов при малых 90 вязкость масла не должна превышать vmi„ = 4000... ...5000 мм2/с (в зависимости от конструктивной схемы), а нормальное функционирование гидроавтоматики возможно при vma, ^ 1500 мм2/с. По условиям сохранения смазочной пленки и допускаемому уровню утечек vmin > 3 мм2/с (рис. 2.23). Рабочий диапазон вязкости

Рис. 2.23. Температурные пределы работы гидросистем в зависимости от вязкостно- темперагурной характеристики РЖ: /-основа РЖ; 2 - загущенная РЖ: 3 — незагу- щенная РЖ

РЖ Avp = vmax - vmin. Для гидросистем, эксплуатируемых в очень холодных зонах (90 < — 55 °C), и для систем гидроавтоматики применяют маловязкие масла МГЕ-4А, РМ и ЛЗ-МГ-2.

Масло МГЕ-4А по ТУ 38-101573-75 (р = 0,83 г/см3; ЭВ = 94°С; v50 = = 3,6...4 мм2/с; V-50 = 260...300 мм2/с; 93 = — 70°C; кислотное число Кон = = 0,4... 0,7 мг КОН/г; анилиновая точка АТ= 68...72°C) получают введением в загущенное маловязкое базовое масло комплекса присадок — антиокислитель- ных, противоизносных и антикоррозионных. Масло МГЕ-4А предназначено для гидросистем периодического действия. В зависимости от конкретных условий может находиться в системе без замены до 10 лет и храниться в таре до 8 лет. Наибольшая температура эксплуатации 50 °C (при кратковременной работе до 100 °C).

Всесезонное масло МГЕ-10А по ТУ 38-101572-75 (р = 0,834 г/см3; v50 = = 10 мм2/с; v-so = 1250... 1500 мм2/с; 8В = 96°С; 93=-70°С; К№ = 0,4... ...0,7 мг КОН/г; АТ = 68...72°C) получают введением в загущенное глубоко- очищенное низкозастывающее базовое масло комплекса антиокислительных, противокоррозионных и противоизносных присадок. Масло МГЕ-10А является основным для гидросистем автоматического управления. В системах периодического действия рассчитано на эксплуатацию без замены до 10 лет при So = —55...+5О°С и 9< +90°С (кратковременно до ПО °C). Срок смены масла зависит от интенсивности работы гидросистемы и составляет ориентировочно несколько сотен часов.

Всесезонное масло ВМГЗ по ТУ 38-101479 - 74 (р = 0,865 г/см3; v50 = = 10 мм2/с; V—50 = 1900...2300 мм2/с; SB = 135°-C; Э3 = — 60°С; Кон= 0,5 мг КОН/г; АТ«75 °C) получают загущением глубокоочищенной основы из сернистых нефтей, в которую вводят антиокислительную, противокоррозионную и противопенную присадки. Масло ВМГЗ применяют для гидросистем

строительно-дорожных машин преимущественно в зимнее время (90 = = -40... + 50°С; 9 < + 90°С, при кратковременной работе 9 <+110 °C). В связи с интенсивным использованием гидросистем этого типа, как правило, масло заменяют каждый сезон (на лето гидросистемы заправляют маслом МГ-30).

Авиационное масло АМГ-10 по ГОСТ 6794-75 (р = 0,85 г/см3; vso = = 10 мм2/с; v-so= 1250 мм2/с; 9В = = 92 °C; 93 = - 70 °C; Кон = 0,05 мг КОН/г; Л Т = 85... 90 °C) изготовляют загущением маловязкой глубокоочищен- ной нефтяной основы, в которую вводят антиокислительную присадку и краситель. Масло АМГ-10 является основным для гидросистем дозвуковых самолетов, применяют также в гидросистемах наземной техники (90= ±55 °C; при кратковременной работе 9 = 100... ...110 °C; при наддуве резервуаров инертным газом 9 ^ +125 °C). Срок смены масла (2 — 3 года) определяется в основном снижением вязкости вследствие деструкции вязкостной присадки при интенсивной работе гидросистемы (допускаемое значение v50 ^ 8... 7 мм2/с).

Масло АУ по ГОСТ 1642-75 и ТУ 38 101586-75 (р = 0,89 г/см3, v50 = 12... 14 мм2 /с; v2o = 50 мм2/с; v_3O = 5000 мм2 /с; 9В=163°С; 93 = = —45 °C; Кон = 0,07 мг КОН/г). Масло АУ по ГОСТ 1642—75 — дистиллят балаханской или анастасьевской нефти углубленной сернокислотной очистки, по ТУ 38-101586 — 75 масло АУ вырабатывают из парафинистых сернистых или малосернистых нефтей селективной очисткой и депарафинизацией. Масло АУ применяют в гидросистемах, в частности, судовых установок (90 = — 25... ...+50°С; 9^+90°С). Масло АУ является базовым для изготовления масел АУП, Р, ЭШ.

Масло АУП по ТУ 38 001234-75 (v50 = И... 14 мм2/с; V-эо = 5000 мм2/с; 9В = 145 °C; 93 = —45 °C; КОн = 0,3... ...0,6 мг КОН/г) изготовляют на базе масла АУ по ГОСТ 1642 — 75 с анти-

окислительной и антикоррозионной присадками. Применяют преимущественно в гидросистемах судовых установок (9 = = —25...+90°C, при кратковременной работе 9 ^ +125 °C), допустимо попадание в масло морской воды.

Масло Р по ТУ 38 101179 — 71(vso = = 12...14 мм2/с; V-го = 1300 мм2/с; 9В = 163 °C; 93 = -45 °C; КОн = 0,07 мг КОН/г) изготовляют на базе масла АУ из малосернистых нефтей с антиокисли- тельной, моющей и противопенной присадками. Применяют в гидрообъемных передачах автомобилей и гидропередачах палубных судовых установок.

Масло ЭШ по ГОСТ 10363-78 (vs0 = = 20 мм2/с; 9В=155°С; 93=-50°С; Кон = 0,15 мг КОН/г) представляет собой масло АУ с загущающей и депрессорной присадками. Применяют в гидросистемах экскаваторов и других аналогичных машин.

Масло МГ-30 по ТУ 38 10150 - 70 (р = = 0,885 г/см3; v50 = 27...33 мм2/с; v-is = 4000 мм2/с; 9в=190°С; 93 = = —35 °C; Кон = 0,06 мг КОН/г) изготовляют на основе индустриального масла с антиокислительной, депрессорной и противопенной присадками. Оно предназначено в основном для гидросистем строительно-дорожных и подъемно-транспортных машин в качестве сезонного летнего сорта масла.

Масла для мобильных объектов выпускают также многие зарубежные фирмы. Например, маслам типа АМГ-10 и МГЕ-10А соответствуют масла по спецификациям MIL-H-5606A и MIL-H- 5606В (США), DTD-585 (Англии) и др. Маслам АУ, АУП и Р примерно соответствуют масла по спецификациям MIL-H-6083B, DTD 5540-0X15; МГ-30- ATF Дексрон (США), ATF Тайп А (Англия) и др.

Для гидросистем с аксиально-плунжерными насосами рекомендуется использовать масла с v = 12...600 мм2/с (допускается v = 8...13OO мм2/с).

Синтетические и водосодержащие РЖ [55]. Если гидропередача рассчитана на эксплуатацию при температуре, превы-

шающей предельную для РЖ на нефтяной основе (80 — 90 °C, кратковременно 110—120 °C), приходится использовать дорогие и дефицитные высокотемпературные синтетические жидкости. Негорючие или повышенно огнестойкие синтетические РЖ применяют также при повышенных требованиях к взрывопо- жаробезопасности. Основные недостатки, препятствующие широкому применению синтетических РЖ: высокая стоимость, ограниченность сырьевых ресурсов, необходимость замены в гидросистеме материалов уплотнений и некоторых металлов, токсичность многих жидкостей или продуктов их разложения. Кроме того, многие синтетические жидкости, обладая рядом уникальных свойств, не соответствуют комплексу остальных требований. Существует несколько классов синтетических РЖ, из которых в гидросистемах используют следующие: диэфиры, силоксаны, фосфаты, водосодержащие жидкости (водно-гликолевые или водноглицериновые); фтор- и хлор- органические жидкости. Из всех синтетических РЖ только фторорга- нические отличаются полной негорючестью, исключительной химической инертностью и термической стабильностью. Водосодержащие жидкости не воспламеняются при распылении на пламя или на поверхность, раскаленную до температуры 700 °C [55], остальные жидкости имеют повышенную огнестойкость по сравнению с нефтяными маслами, но являются горючими и могут воспламеняться при попадании на огонь или раскаленные предметы.

Диэфиры — жидкости на основе сложных эфиров двухосновных кислот (адипиновой, себациновой и др.) с первичными или многоатомными спиртами (например, пентаэритритом) — представляют собою маслянистые жидкости с хорошей смазывающей способностью, удовлетворительной вязкостно-температурной характеристикой, малой испаряемостью и высокой температурой вспышки. Диэфиры недостаточно устойчивы

к окислению, поэтому в них вводят антиокислительную и противоизносную присадки. Температура эксплуатации ограниченна (9тах = 200 °C), так как при 9 = 230... 260 °C диэфиры разлагаются. На основе диэфиров получают масла для турбовинтовых двигателей: ВНИИ НП-7 по ГОСТ 12246—66 (vioo = 7,5...8 мм2/с; 9в = 210°С; 93 = — 60°С; р = 0,918... ...0,922) с загущающей присадкой; ВНИИ НП 50-1 -4ф по ГОСТ 13076-67 (vioo = 3,2 мм2/с; v-40 = 2000 мм2/с; 9а = 204 °C; 93 = —60°C), работоспособное до 175 °C; Б-ЗВ по ТУ 38 101295-75 (vioo = 5 мм2/с; У-зо = 3500 мм2/с; 9В = 230°C; 93 = —60°C, давление насыщенного пара р; = 0,4 гПа при 9 = 200 °C).

В среде диэфиров плохо работают рукава и уплотнения из нитрильных каучуков, электроизоляционные материалы, металлы, содержащие свинец, кадмиевые и цинковые покрытия. Диэфиры совместимы с силоксанами, поэтому в последние вводят диэфиры для улучшения смазочных свойств.

Силоксаны и полисилоксаны — жидкости на основе кремнийорганических полимеров — имеют наиболее пологую вязкостно-температурную характеристику из всех рабочих жидкостей. Вязкость полисилоксанов увеличивается с увеличением молекулярной массы полимера, поэтому создан широкий ряд базовых жидкостей с последовательно увеличивающейся (от 10 до 3000 мм2/с при 9 = 25 °C) вязкостью. Силоксаны отличаются большой сжимаемостью и наименьшим поверхностным натяжением, имеют достаточную стойкость к окислению и воздействию температур до 190 °C, однако при длительном воздействии температуры даже 200 °C разлагаются с образованием двуокиси кремния (кремнезем), проявляющей абразивные свойства. Смазывающая способность силоксанов неудовлетворительная (особенно по стали), поэтому их применяют только в смеси с диэфирами или нефтяными маслами. Температура застывания очень низкая (93 < — 80... — 90°C), но при добавлении других компонентов

повышается обычно до — 70 °C. Верхний температурный предел эксплуатации силоксановых жидкостей не должен превышать +175 °C. На основе полиэтилсилоксановых жидкостей и нефтяных масел АУ или МС-14 получают приборные масла серии ОКБ-122.

Жидкость 7- 50С-3 по ГОСТ 20734 - 75 (р = 0,93...0,94 г/см3; v2Oo = 1,3 мм2/с; v50 = 10 мм2/с; v2o = 22 мм2/с; У_60 = = 4200 мм2/с; 9В = 180°С; 9Э = -70°С; Кон = 0,1 мг КОН/г) — смесь дисилоксана и диэфира с противоизносной присадкой. Применяют в гидросистемах авиационной техники (9 =—60... ...+175°С).

Характерным представителем жидкостей этого класса является также жидкость Оронайт 8515 (США) — смесь дисилоксана с диэфиром и присадками, которую применяют в гидросистемах самолетов, оборудованных специальными уплотнениями.

Фосфаты — жидкости на основе сложных эфиров фосфорной кислоты — отличаются повышенной огнестойкостью и хорошей смазочной способностью. Наиболее термостабильны триарилфосфаты, однако они имеют неудовлетворительные показатели при низких температурах. По вязкостно-температурным характеристикам фосфаты уступают нефтяным маслам. Фосфаты склонны к гидролизу, поэтому их нельзя применять в гидросистемах, в которых возможно обводнение. Многие фосфаты токсичны. Триарилфосфаты применяют преимущественно в гидросистемах тепловых электростанций и металлургического оборудования. Представителем жидкостей этого класса является триксиленил- фосфат, на основе которого созданы жидкости Иввиоль-3 и ОМТИ по МРТУ 6-08-140-69 (р = 1,13 г/см3; V50 = = 21 мм2/с; v20 = 150 мм2/с; v_10 = = 400 мм2/с; 93=-ЗО°С; 9в = 240°С; температура самовоспламенения 730 °C; Кон = 0,05 мг КОН/г).

В гидросистемах авиационной техники применяют жидкости повышенной огнестойкости на основе эфиров фосфорной

кислоты типа Скайдрол и НГЖ. Скайдрол С500А (фирма «Монсанто», США) используют в зарубежной авиации в диапазоне температур —54...+107 °C (р = 1,065 г/см3; v98 = 3,9 мм2/с; v38 = = 11,5 мм2/с). Эта жидкость токсична и работоспособна только с уплотнениями из специальных эластомеров.

НГЖ-4 (ТУ 6-02-985-75) [35] - прозрачная фиолетового цвета жидкость, эксплуатируемая при температуре — 55... ...+125°С (v50 = 9 мм2/с; v_50 = = 1700...1900 мм2/с; 9„ = 165°C; Кон = = 0,08 мг КОН/г). '

Водосодержащие (водно-гликолевые и водно-глипериновые) жидкости [55] представляют собой самостоятельный класс огнестойких синтетических жидкостей, пожаробезопасность которых обеспечивается присутствием в них воды. Основные компоненты водно-гликолевых жидкостей: раствор гликоля (обычно этиленгликоля) 50—60%, вода 35 — 45%, водорастворимый загуститель и другие присадки. Этиленгликоль токсичен, поэтому созданы нетоксичные водно- глицериновые жидкости, причем подбором концентраций глицерина, воды и присадок обеспечены требуемые для РЖ свойства. Водосодержащие жидкости имеют удовлетворительные вязкостнотемпературные характеристики, смазочную способность и антикоррозионные свойства. Большим преимуществом является совместимость с материалами уплотнений и рукавов на основе нит- рильных каучуков. Они малосжимаемы (х = 2000 МПа при 9 = 20 °C) и имеют наибольшую по сравнению с другими РЖ удельную теплоемкость (с = 2,5... ... 3,2 кДж/(кг • °C). Эти жидкости негорючи, пока массовая доля воды в них превышает 30 %. Вследствие низкой температуры кипения воды давление насыщенных паров высокое (15 кПа при 9 = 60 °C), поэтому водосодержащие жидкости не рекомендуется эксплуатировать при 9 > 65...70°C. Этиленгликоль кипит при 9Х = 197,3 °C, вспыхивает в открытом тигле при 130 °C, самовозгорается (как глицерин) при 400 — 425 °C.

Рис. 2.24. Вязкостно-темперагурная харак- геристика (v в мм2/с) рабочих жидкостей: / - базовое масло АМГ-10: 2 - МГЕ-4А: .1— АМГ-10; 4 - ВМГЗ; 5 - АУП: 6 - Шелл-27Рис. 2.24. Вязкостно-темперагурная харак- геристика (v в мм2/с) рабочих жидкостей: / - базовое масло АМГ-10: 2 - МГЕ-4А: .1— АМГ-10; 4 - ВМГЗ; 5 - АУП: 6 - Шелл-27

Рис. 2.24. Вязкостно-темперагурная харак- геристика (v в мм2/с) рабочих жидкостей: / - базовое масло АМГ-10: 2 - МГЕ-4А: .1— АМГ-10; 4 - ВМГЗ; 5 - АУП: 6 - Шелл-27

Рис. 2.24. Вязкостно-темперагурная харак- геристика (v в мм2/с) рабочих жидкостей: / - базовое масло АМГ-10: 2 - МГЕ-4А: .1— АМГ-10; 4 - ВМГЗ; 5 - АУП: 6 - Шелл-27

Температура замерзания 93 водосодержащих жидкостей минимальна при эвтектическом соотношении концентраций вода — глицерин (гликоль) 35:65%. Для повышения вязкости при положительных температурах вводят загущающие присадки.

Водно-гликолевые жидкости используют в системах охлаждения.

Водно-глицериновую жидкость ПГВ (ТУ 6-02-762-78) применяют для гидросистем мобильных объектов и судовых гидроприводов (9 = —30...+75 °C). Основные характеристики ПГВ: цвет синий, р = 1,15 г/см3; v5O=12...14 мм2/с; v2O = 44...51 mm2/c; v0 = 160 мм2/с; v_3o=4000 мм2/с; 93<-50°С, pH = = 8,2...8,85; давление насыщенных паров р; = 18 кПа при 60 °C; с = = 2,5...2,6 кДж/(кг-°С) при 9 = 20°C; испаряемость 8,4% при 60 °C; температура самовоспламенения 425 °C; поверхностное натяжение на границе с воздухом при 20 °C ст = 42,5 мН/м.

Водно-глицериновые жидкости пром- гидрол марок П20, П20М1, М20М2 (ТУ 6-02-1140 — 78) предназначены для гидросистем промышленного назначения, эксплуатируемых в условиях возможной пожарной опасности. Основные характеристики жидкости П20: р = = 1,145... 1,155 г/см3; v50 = 17...23 мм2/с; v2O = 60...90 мм2/с; v3 = —10°C. pH = = 5,2... 8,7, температура самовоспламенения 420°С; П20М1: р = 1,125... ...1,140 г/см3; v50 = 18...25 мм2/с; v2O = 50...90 мм2/с; 93 = — 30°С; pH = = 8,1...8,6; П20М2: р = 1,145...1,155 г/ см3; v5O = 20...27 mm2/c; v20 = 65... ...100 мм2/с; 93 = — 45 °C. Промгидрол отличается от ПГВ в основном большим содержанием загущающей присадки.

Фтор- и хлорорганические (галогеноуглеводородные) жидкости по химическому составу подразделяют на три основные группы:

фторхлоруглеродные — низкомолекулярные полимеры трихлорфторэтилена (ПФ, 12Ф, 13Ф, 4Ф; кельэф, флуоролюб [55]);

перфторуглероды, полученные фторированием нефтяных масел;

фторсодержащие эфиры и амины (ПЭФ, БАФ, МФ; фреон Е, крайтокс, фомбалин [55]).

Физико-химические свойства и особенности применения фторорганических жидкостей рассмотрены в работах [35, 55].

Вязкость нефтяных и синтетических жидкостей очень сильно зависит от температуры. В координатах lg 1g v — — 1g Г (Г= 273 + 9) в области рабочих температур вязкостно-температурные зависимости практически прямые линии (рис. 2.24), поэтому для их описания можно использовать линейное уравнение lg lg (v + 0,6) = А — В 1g Г или lg (v + + 0,6) = A'jT6, где А, А', В — постоянные.

По вязкостно-температурным характеристикам жидкости подразделены на группы (см. табл. 2.16).

Загущенные РЖ. Загущенное масло представляет собой раствор полимерной присадки с относительно крупными цепными молекулами (М = 3000...30 000) в маловязкой основе (М = 170...300), имеющей пологую вязкостно-температурную характеристику. Молекулы загущающей присадки образуют между собой и с молекулами основы крупные ассоциированные комплексы (рои), поэтому при малых скоростях сдвига вязкость загущенной жидкости значительно увели-

Рис. 2.25. Зависимость динамической вязкости загущенного масла от давления р и градиента скорости сдвига dv/dh при 100 °C (ца — вязкость основы)Рис. 2.25. Зависимость динамической вязкости загущенного масла от давления р и градиента скорости сдвига dv/dh при 100 °C (ца — вязкость основы)

Рис. 2.25. Зависимость динамической вязкости загущенного масла от давления р и градиента скорости сдвига dv/dh при 100 °C (ца — вязкость основы)

Рис. 2.25. Зависимость динамической вязкости загущенного масла от давления р и градиента скорости сдвига dv/dh при 100 °C (ца — вязкость основы)

чивается. При больших скоростях сдвига эта структура постепенно нарушается, а цепи молекул присадки ориентируются в направлении потока. Это проявляется в уменьшении вязкости с увеличением градиента скорости сдвига dv/dh (рис. 2.25). Иногда применяют понятия первой и второй ньютоновской вязкости (р и ра соответственно при малых и больших dv/dh). Снижение вязкости загущенного масла с увеличением dv/dh — явление обратимое, поэтому при прекращении движения жидкости вязкость практически мгновенно восстанавливается до начального значения.

Глава J

УПЛОТНЕНИЯ НЕПОДВИЖНЫХ

Герметичность стыка неподвижных соединений

Герметизацию неподвижных соединений осуществляют преимущественно контактными, реже диафрагмовыми уплотнениями и уплотнениями с герметиками, а также точно соприкасающимися (притертыми) поверхностями. Назначение УН — исключить взаимное проникновение сред (утечки) через соединение при сохранении возможности его разборки. По специфике механизма герметизации контактные УН подразделяют на эластомерные кольца и прокладки, металлические уплотнения линейного контакта, металлические и неметаллические прокладки, газонаполненные кольца и комбинированные уплотнения. Эластомерные, пластмассовые и газонаполненные кольца и комбинированные уплотнения устанавливают в замкнутые канавки, что позволяет реализовать эффект самоуплотнения при повышении давления в герметизируемой полости. Такие уплотнения называют активными. Для прокладок нехарактерен эффект самоуплотнения, поэтому приходится ограничивать допустимое давление среды. Такие уплотнения называют пассивными.

СОЕДИНЕНИЙ

В контактных УН механизм герметизации определяется характером контакта уплотняемых поверхностей соединения и уплотнителя, поэтому важное значение имеет шероховатость поверхностей и структура стыка при их сближении под действием сил, создающих контактное давление рк. Характер контакта жестких поверхностей (металл-металл), эластомеров, пластмасс или композиционных материалов с твердой поверхностью различен. Существует два метода теоретического исследования герметичности стыка между двумя реальными поверхностями, каждая из которых имеет сложную геометрическую форму. Первый метод основан на модели течения среды по системе микрощелей с параметрами ^ь Вь Z; (8, «: В; > lt« I), заменяемой эквивалентной щелью с функцией формы 4х и эквивалентным зазором 8 = RzF (рк, ...). Метод учитывает возможность случайных дефектов поверхностей, загрязнений в межповерхностном слое и контактную диффузию [35]. Второй метод [14,33] основан на модели межповерхностной полости в виде пористого слоя и использовании уравнений течения теории фильтрации. Для определения коэффициента прони-

цаемости выполняют математические исследования геометрических параметров межповерхностных зазоров в зависимости от сближения поверхностей под действием рк. Этот метод применяют преимущественно при расчетах клапанных уплотнений типа металл-ме- талл для пневмоагрегатов.

Топография поверхности и проницаемость УН. Реальная поверхность имеет отклонения от заданной (номинальной). Совокупность повторяющихся выступов и впадин с относительно малыми шагами между неровностями называют шероховатостью поверхности. Для оценки шероховатости ГОСТ 2789 — 73 устанавливает следующие параметры: Ra, Rz, Rmax, Sm, S и tp,— определяемые в пределах базовой длины / (рис. 3.1). Структуру стыка определяют также отклонения формы реальных поверхностей от формы номинальной поверхности (термины и определения см. ГОСТ 24642 — 81, числовые значения-ГОСТ 10356 — 63). Совокупность периодических, регулярно повторяющихся и близких по размерам неровностей (wj) с относительно большим шагом Sw превышающим базовую длину /, называют волнистостью поверхности. Характеристики волнистости регламентируют рекомендации СЭВ по стандартизации PC 3951 — 73. Средние 5и

величины: w2 = (1/5) £ wf; Sw = (1/и) £ Si. Для волнистости характерно соотношение 40 < S„/w2 < 1000. Кроме рассмот-

Рис. 3.1. Профилограмма шероховатой поверхности тела:

1 — базовая линия; 2 — линия впадин; 3 — средняя линия; 4 — линия уровня сечения (яр); 5 — линия выступов

Таб л ица 3.1

Соотношение параметрон шероховатости поверхности Rz, Ra, Rmax и базовой длины 1 при нх определении (для справок)

Rz

Ra

^max

/, мм

мкм

20

5

30

2,5

10

2,5

1,5

0,8

6,3

1,25

7,65

0,8

3,2

0,63

3,93

0,8

1,6

0,32

2,02

0,25

0,8

0,16

1,02

0,25

0,4

0,08

0,51

0,25

0,2

0,04

0,27

0,25

0,1

0,02

0,13

0,08

0,05

0,01

0,07

0,08

ренных параметров, для уплотнений важен средний радиус кривизны р и угол наклона профиля у. На герметичность соединения наибольшее влияние оказывает параметр шероховатости Rz (если отклонения формы находятся в пределах заданных допусков). Поскольку в документации на изделия обычно назначают параметр Ra, в табл. 3.1 дано примерное соотношение параметров Ra, Rz и Kmax. Рельеф поверхности существенно зависит от вида механической обработки (табл. 3.2). В результате точения и пластического деформирования (например, при накатывании) образуется наиболее регулярный рельеф, при фрезеровании — сетка волн, при шлифовании — система рваных впадин с большим углом наклона профиля микровыступов в поперечном

Таблица 3.2

Ориентировочные значенвя радиусов кривизны р и углов наклона у профиля микровыступов в зависимости от нида механической обработки [86]

Вид обработки

Радиус

кривизны, лкм

Угол наклона

Рпоп

Рпр

УПОП’°

Тпр,°

Точение

20-120

10-25

20-5

20-5

Шлифова-

5-20

250-

35-7

2-10

ние

Хонингова-

4-30

-15- 103 16-160

13-3

4-1

ние

Притирка

15-250

(7-35)103

5-20

10-2

Рис. 3.2. Опорная поверхность (о) и кривая опорной длины (6)

направлении упоп = 9... 10е и Ктах = = 1,5...3 мкм. При полировании вершины неровностей сглаживаются (средний радиус р = 500... 1000 мкм), в результате притирки образуется нерегулярная поверхность С У = I... 3°, Rmax = 0,3 ... 1 МКМ и р а 20...70 мкм [20].

Для характеристики состояния поверхности используют понятия опорной поверхности, номинальной Ло, контурной Ас и фактической А, площади касания (рис. 3.2, а). Соответственно контактное давление в стыке поверхностей подразделяют на номинальное рк = Р/Ао, контурное рк.с = Р/Ас и фактическое ркг = Р/Аг, где Р — нормальная сила, действующая на площадь Ао.

По профилограмме (см. рис. 3.1) строят кривую относительной опорной длины профиля tp (рис. 3.2, б). Начальная часть кривой зависимости tp (х), где х — относительное сближение, описывается уравнением

ip = bx\ (3.1)

Параметры опорной кривой b и v, зависящие от способа механической обработки [20, 86], находятся в пределах: для точения, фрезерования, строгания b = 0,6...2; v = 1,2...2,0; для шлифования и протягивания b = 0,6... 2,3; v = = 1,7...2,0; для полирования и притирки Ь = 2,0...3,5; v= 1,2...1,7. При сближении шероховатой поверхности с гладкой относительную площадь ц фактического контакта определяют из решения задачи Герца о контакте тел с полупространством для модели, включающей

множество индентеров, распределенных по поверхности с определенной статистической закономерностью. Разработаны программы таких расчетов для сферических, стержневых, элипсоидальных и пирамидальных инденторов [14, 20, 86].

Относительную площадь ц определяют как сумму двух составляющих, обусловленных пластической (цпл) и упругой (т)у) деформациями:

Т) = Т)пл + Т)у(3.2)

Составляющую т)у определяют по формуле [14]

г]у = 2,7(1 - p*Wv2c^cT1 + 1,v х

X P^'V^maxE2),

где с — коэффициент.

Для прокладок из мягких металлов и многих пластмасс основным механизмом деформации является пластический контакт, при котором рс = саТ х const и фактическая площадь контакта мало зависит от микрогеометрии поверхностей. Установлено, что практически сот = НВ, т. е.

Цпл = Рк/НВ,(3.3)

где НВ — твердость по Бринеллю (табл. 3.3 и 3.4).

При рк = НВ поверхность пластического материала принимает форму поверхности контактирующего с ним твердого тела. Сближение е зависит от распределения материала в шероховатом слое, т. е. от параметров опорной кривой b и v [86].

Для уплотнений периодического действия, главным образом клапанных уплотнений, пластический контакт недопустим. В этих случаях контактирующие элементы изготовляют из материалов с высокой твердостью (закаленной стали) и обрабатывают очень точно.

Из решения задачи Герца о контакте сферы радиусом г с полупространством вытекает следующая формула для определения сближения [20]:

Таблица 3.3

Физико-механические характеристики некоторых металлом

Металл

»пл, °C

Е, ГПа

ав, МПа

НВ

р, г/см3

ат, МПа

Алюминий

660

62-70

108

27

2,7

35

Железо

1539

200

245

82

7,87

150

Медь

1083

120

220

35-50

8,93

70

Никель

1453

204

314

70

8,9

70-200

Олоно

232

43

15

5,3

7,29

—

Свинец

325

16

16

4-5

11,3

5-10

Серебро

961

76

180

50

Ю,5

—

Титан

1670

ПО

425

140

4,5

—

Цинк

420

89

128

38

7,13

—

Латунь

905

ПО

300

70-93

8,5

по

Таблица 3.4

Физико-механические характеристики неметаллических материалов при 20 °C

Материал на основе полимеров

р ,1 /см 3

Е, ГПа

Н, МПа

Ор, МПа

ПА

1,1

1,0-1,5

100-150

25-50

ПТФЭ

2,1-2,3

0,5-0,8

30-40

16-25

ПТФХЭ

2,14

1,3

100-130

30-40

пэвд

0,92

0,15-0,25

14-25

12-18

пэнд

0,96

0,5-0,6

44-52

25-37

пп

0,91

0,8-1,2

60-65

25-35

£ =£ =( к иЛ = Г^6^( к иЛ = Г^6^r^l/v\ 1/21 2v+ 1r^l/v\ 1/21 2v+ 1

£ =

£ =

( к и

Л = Г^6^

( к и

Л = Г^6^

r^l/v\ 1/21 2v+ 1

r^l/v\ 1/21 2v+ 1

где/ci = 2|/л; kv = F (v) — числовой коэффициент (при v = 2 kv = 0,6; при v = 3 kv = 0,52); 0 = (1 - pt2) £/1 + (1 — — ц?2) £2 1 — обобщенная упругая постоянная Кирхгофа. Относительная площадь контакта при е ^ 0,25 [20]:

2v

где к = ]/л-2“°-5\

Так как р* % 0,3, 0 %£*’. Показатель степени 2v/(2v + 1) = 4/5 при v = 2 и 6/7 при v = 3. Фактическая площадь контакта ц = p<JE. Все характеристики, относящиеся к микрогеометрии поверхности, объединяют комплексом А-1 = = rb1,v/Rmax. Ориентировочно сближению е ^ 0,25 соответствует рс/Е «

%103...104 [42]. При рс/£ > 10 2 рекомендуется использовать формулу Бартенева—Лаврентьева

ц = А,/Ас = 1 - с-Ррк/е, (3.5) где р — коэффициент, зависящий от шероховатости поверхности.

Механизм герметизации. Уплотняющий эффект достигается заполнением всех микронеровностей и дефектов контактной поверхности материалом уплотнителя — кольца или прокладки. Для этого, очевидно, уплотнитель должен быть сжат некоторой силой, создающей в поверхностных слоях напряжение, достаточное для их деформации до заполнения неровностей. Сближение поверхностей происходит в две стадии (рис. 3.3, а). На стадии 1 при весьма малых номинальных значениях рК = pKi происходит внедрение самых больших выступов и сближение поверхностей до контакта выступов высотой, примерно

Рис. 3.3. Схема сближения двух контактирующих поверхностей:1, Г — pei улярные микронеровноо и; 2. 2’ — риски, трещины и прочие отдельные дефекты; 3 — выступы; 4 — посторонние частицыРис. 3.3. Схема сближения двух контактирующих поверхностей:1, Г — pei улярные микронеровноо и; 2. 2’ — риски, трещины и прочие отдельные дефекты; 3 — выступы; 4 — посторонние частицыравной Rz. При этом образуется система впадин и капилляров произвольной формы, близкой к плоским щелям высотой Rz — eRz (рис. 3.3, б, б). Модель этой системы (рис. 3.3, в) учитывает т сквозных и и поперечных каналов течения жидкости (газа). На стадии II при рк > pKi происходит основная герметизация соединения в результате перекрытия микроканалов. Если в каждом микроканале утечка Qi, общая утечка Q = £ Qv Перепад давлений Др,- на i-м участке течения является частью перепада давлений Ар между полостями: Др = ^Др,. Наличие поперечных каналов способствует выравниванию давления по периметру межповерхностного зазора, поэтому можно упростить схему и учитывать только сквозные микроканалы (рис. 3.3, г). Безразмерная функция формы V, в уравнениях (1.35) и (1.36) определяется среднестатистическими соотношениями ширины микроканалов В, к их длине т/ (т — коэффициент извилистости; I — ширина контакта уплотнения). Для схем на рис. 3.3, в и г соответственно

Рис. 3.3. Схема сближения двух контактирующих поверхностей:

1, Г — pei улярные микронеровноо и; 2. 2’ — риски, трещины и прочие отдельные дефекты; 3 — выступы; 4 — посторонние частицы

Рис. 3.3. Схема сближения двух контактирующих поверхностей:

1, Г — pei улярные микронеровноо и; 2. 2’ — риски, трещины и прочие отдельные дефекты; 3 — выступы; 4 — посторонние частицы

У \ (3.6)

Ч'-Ул^б?,

где Bi = В;/В; Ц = Ц/1 % т; бг = ^/Rz; В - периметр уплотнения.

Важно установить зависимость 4х от рк и р. Наиболее вероятная модель поперечного сечения микроканала имеет плоскую треугольную форму (рис. 3.3, б) с отношением основания к высоте Bt/8i х 20...200. По мере сближения на величину eRz уменьшаются зазор 5 % х Rz — eRz и ширина щели Вр

5; = RzC-Pk№E); В. ~ (/^ g-p^kE), где к и ki — коэффициенты, учитывающие средние статистические зависимости параметров.

Определение утечки и проницаемости по методу теории фильтрации. Если представить зазор между поверхностями в виде пористого тела, для определения расхода Q жидкости (газа) можно использовать уравнение Дарси [14, 29, 33]. В теории Козени—Кармана пористую среду представляют в виде связки капиллярных трубок равной длины / и произвольного сечения, что учитывают коэффициентом проницаемости К, м2;

Q = k^-.Q = k^-.(3-7)(3-7)Проницаемостью называют способность пористого тела пропускать через себя жидкость под действием перепада давлений. Козени установил зависимость

Q = k^-.

Q = k^-.

(3-7)

(3-7)

К = ст3/(т$2),(3.8)

где с — безразмерная постоянная Козени, зависящая только от формы капилляра (для круглого капилляра с = 0,5, для квадратного с = 0,56, для треугольного с = 0,597); т — пористость материала (отношение объема пор к общему объему тела); s — так называемая удельная поверхность материала, равная отношению площади внутренней поверхности пор к единице объема, м-1; т — коэффициент извилистости.

Значения т и S для зазоров между шероховатыми контактными поверхностями, моделированными различными геометрическими фигурами, определяют с учетом статистического распределения высот выступов [14, 29]. При этом, например, для модели шероховатостей в виде сфер радиусом R проницаемость [14]

К = 0,5 [3b2 £nRRz - Ь^/НВ) - -2k2RRz2 (ЗЯ - - flz)]3 {27л2Ь2Д2 ^RRz - - Ь2рк/НВ) [ла (d - R) + 2kR Rz - - Ь^/ЯВ]}-1, где a, d, b — геометрические характеристики модели.

Механизм герметизации и основы расчета кольцевых эластомерных уплотнений

Особенности уплотнений с эластомерными кольцами в замкнутых канавках определяются специфическими свойствами резины. Вследствие малости модуля эластичности Еа и практически

неизменного объема при деформациях резины подобны сильно вязкой жидкости, способной передавать давление среды на контактирующие поверхности. Релаксация напряжения проявляется в снижении начального значения рко уже в первые часы после монтажа уплотнения. В дальнейшем (в течение нескольких лет) снижение контактного давления происходит вследствие старения, сопровождающегося накоплением необратимых остаточных деформаций. Поверхность кольца принимает форму поверхности, контактирующей с ней. Очень важное значение имеет зависимость свойств резины и прежде всего модуля Е„ от температуры 9. При температуре ниже температуры стеклования резина становится подобной мягким металлам и уплотнение часто теряет герметизирующую способность. Необходимо учитывать изменение объема и размеров кольца вследствие взаимодействия резины с рабочей и окружающей средами. В настоящее время подавляющее большинство уплотнений машин выполняют с помощью резиновых колец круглого сечения, поэтому механизм герметизации эластомерными кольцами рассмотрен ниже в основном на примере этих колец. Остальные виды колец (прямоугольного, X и V-образного, эллиптического сечения) отличаются от колец круглого сечения в основном лишь распределением контактного давления по контактной поверхности.

При установке кольца диаметром d в закрытую канавку высотой Н (рис. 3.4, а) на уплотняемых поверхностях шириной (0 возникает начальное контактное давление рко = р» определяемое относительной деформацией сжатия е = = (d — H)/d, модулем эластичности Е^ и формой кольца (влияние формы сечения кольца на модуль эластичности Ео материала детали учитывает коэффициент формы Кф, равный отношению площадей опорной и боковой поверхностей). Давление pi меняется вдоль 10. Среднее значение pt для колец круглого, прямоугольного и эллиптического сечений при

Рис. 3.4. Кривые распределения контактного давления при установке кольца (а) и действии давления среды (б)

хорошо смазанной опоре связано с е зависимостями [35]

Рко = Кф£ю I In (1 - е) I;(3.9)

Е = 1 — е-ГкО/^^со).

При е ^ 0,25 р^ = КфЕюе, где Кф = = 1 + (0,5//Н)2; для кольца круглого сечения Кф = 1,25; для кольца прямоугольного сечения Кф = 1,1.

Распределение давления по уплотняющей поверхности с координатой х для кольца круглого сечения описывается параболой с максимумом pimax = 1,5 р,» Для колец со сложным профилем сечения используют экспериментальные кривые

рк (х) (рис. 3.5). Алгоритм аналитического определения функции рк (х) можно найти в работе [46], однако этот расчет трудоемок. В первом приближении кривые распределения рк соответствуют форме сечения кольца и рк0 % Кф£юЕ. Экспериментальные зависимости р^ (е) для колец круглого сечения и стандартного цилиндрического образца показаны на рис. 3.6 (соответственно кривые 1 и 2).

Для многих расчетов удобнее использовать зависимость удельного усилия Ро (отнесенного к единице периметра кольца) от относительной деформации сжатия (рис. 3.7).

Учитывая уменьшение рко в результате старения и релаксации при повышенной температуре эксплуатации, при монтаже кольца назначают р^ = 1,5... 3 МПа, что соответствует е = 0,15...0,35 при £00 = 7... 12 МПа. При этом в конце эксплуатации рк0 > 0,25 МПа и сохраняется герметичность. Обычно при точении или фрезеровании канавок под уплотнения Rz = 5. ..20 мкм, у = 5...7°, Bi max = 100... 400 мкм; заполнение регулярных микронеровностей резиной заканчивается при рко = 0,5...1 МПа. Направление следов обработки (парал-

Рис. 3.5. Кривые распределения контактного давления по контактной поверхности колец различного профиля при действии давления среды [35]

Рис. 3.8. Зависимости относительной ширины контакта oi относительной деформации (а, в) и давления среды (б)Рис. 3.8. Зависимости относительной ширины контакта oi относительной деформации (а, в) и давления среды (б)

Рис. 3.8. Зависимости относительной ширины контакта oi относительной деформации (а, в) и давления среды (б)

Рис. 3.8. Зависимости относительной ширины контакта oi относительной деформации (а, в) и давления среды (б)

Рис. 3.6. Зависимости среднего контактного давления от относительной деформации сжатия

дельных при точении и перекрещенных при фрезеровании и грубом шлифовании) сильно влияет на герметичность: герметичность повышается, если следы обработки перпендикулярны потоку утечки [при этом в уравнениях (3.6) и (1.35) S' = (0,5... 1) 10-5], и уменьшается при совпадении их направлений (Т < < 10“3). Особенно большое влияние на герметичность оказывают дефекты — сквозные риски, раковины, загрязнения с размерами Вд, 5Д, не всегда заполняемые при рк0. Вероятность появления различных дефектов пропорциональна периметру уплотнения, вероятность появления сквозных дефектов — обратно пропорциональна ширине контакта /0, поэтому для кольцевых уплотнений

Рис. 3.7. Экспериментальные зависимости удельного усилия от относительной деформации сжатия для колец и манжет различного сечения:

1—3 — кольца круглого, прямоугольного и образного сечений; 4, 5 — манжеты

существует некоторая минимальная ши- рина /0 min = Ed, необходимая для обеспечения герметичности и зависящая от шероховатости. Для грубо обработанных канавок необходимо применять кольца с большим сечением. Зависимость относительной ширины контакта /0 = l0/d от с для кольца круглого сечения показана на рис. 3.8, а.

Влияние давления среды, свойство самоуплотнения. При действии давления среды р кольцо смещается в канавке в сторону низкого давления (см. рис. 3.4, б).

При этом ширина контакта увеличивается до / и материал кольца передает давление на стенки. На уплотняемых поверхностях шириной / возникает давление рк як р, + р, на боковой стенке — давление рс % р, причем

Рк = Р, + $р, (3.10) где s = ц*/(1 — ц*) — коэффициент передачи давления в условиях всестороннего сжатия, определяемый в основном коэффициентом Пуассона р* (для резин ц* = 0,48... 0,496, поэтому для колец простого профиля s = 0,9... 0,98, для колец сложного профиля коэффициент s зависит также от распределения напряжений по сечению и силы трения по контактным поверхностям).

Экспериментальным подтверждением аддитивной закономерности (3.10) передачи давления на уплотняемые поверхности являются кривые на рис. 3.5. Контактное давление в каждой точке определяли с помощью специального прибора, описанного в работе [36]. Таким образом, при правильной установке колец в закрытую канавку давление рк автоматически увеличивается при повышении давления р, причем рк > р.

кнализ уравнения (1.36) показывает, что повышение рк до величины кЕ уменьшает утечку примерно на два

Рис. 3.9. Схемы расположения кольца (</ — <)) и протектора (е) и канавке при увеличении давления среды

порядка за счет уменьшения члена е-^Рк!№. В динамических режимах нагружения, когда перепад давлений Др = р — р0 меняется, кольцо может перемещаться в канавке и претерпевать сложные деформации. На рис. 3.9 показаны фазы положения кольца в канавке при действии на него слева возрастающего давления. Пусть при р = 0 кольцо находится в среднем положении (см. рис. 3.9, а), при этом ширина контакта /0, контактное давление р(. При действии давления р (рис. 3.9, б) кольцо деформируется, некоторое время удерживается силами трения, а затем смещается в крайнее правое положение. Иногда при этом образуется зазор (см. рис. 3.9, в) и теряется герметичность. При дальнейшем увеличении р кольцо (рис. 3.9, г-д) принимает справа форму канавки и частично выдавливается в зазор. При наличии протектора (рис. 3.9, е) выдавливания кольца не происходит.

Ширина контактной поверхности / зависит от давления среды р, зазора 8 и твердости резины Н. При р = 0 / = /о, при р = р" кольцо полностью заполняет канавку со стороны низкого давления (/ = /тах). Относительные величины /0 = l0/d и /тах = lmax/d одинаковы для колец с сечениями разных диаметров d. Зависимость I (р) показана на рис. 3.8, б [36]. При р > р" начинается выдавливание кольца в зазор. На рис. 3.8, в показана экспериментальная зависимость ширины контактной поверхности Z0(e) для кольца в канавке треугольной формы.

Разрушение кольца при высоком давлении происходит вследствие вы-

Рис. 3.10. Деформированное кольцо круглого сечения:

а — схема действия сил; 6 — картина изохром; в — поврежденное кольцо

давливания его_ в зазор неуравновешенной силой Рр = рб и повреждения его поверхности в месте контакта с острой или зазубренной кромкой М (рис. 3.10, а). На рис. 3.10, б показана картина изохром, свидетельствующая о распределении напряжений в деформированном кольце (изохромы — линии одинаковых разностей главных напряжений Qi — о2 — 2т max)- Оптимальный радиус г закругления кромки должен быть в пределах 0,1—0,2 мм. Острые кромки без закруглений имеют рваные края и срезают резину подобно ножу. Чрезмерно большой радиус г создает клиновой эффект, в результате чего снижается работоспособность. Наиболее тяжелым режимом нагружения является низкочастотная пульсация давления от разрежения до р > р", при котором кольцо претерпевает все фазы деформации, рассмотренные на рис. 3.9. Характер повреждения кольца при выдавливании его в зазор показан на рис. 3.10, в.

В статических условиях разрушение кольца вследствие выдавливания в зазор происходит при р? » р". При действии пульсирующего давления р < р* кольцо разрушается после N циклов нагружения. Число N, называемое циклической долговечностью, зависит от амплитуды пульсаций давления и характера на-

Рис. 3.11. Зависимость давления разрушения кольца от диаметрального зазора и твердости резины

растания давления dp/dt. Если при однократном нагружении разрушение происходит при напряжении в резине т0, то при периодическом нагружении оно произойдет при напряжении т, причем N = (т0/т)т, где т — константа.

Определение значения N связано с большими трудностями вследствие сложного распределения напряжений по сечению кольца и релаксационной природы механических свойств резины. Тангенциальные напряжения в зоне выдавливания кольца в зазор можно оценить по формуле

_ pb 1d FforAfV

где F (е, г, I, /) — безразмерный функциональный критерий, (г = г/6, / = l/d); F(e, г, Г,/) ^0,1...0,2 [36].

На рис. 3.11, а приведена зависимость предельного давления р* от диаметрального зазора 6д и твердости резины при заданном N = 105 (в области А кольцо не выдавливается в зазор, в области Б — выдавливается).

Обычно применяют соединения с зазором 6 < 0,05 мм и кольца из твердой резины (80—88 IRHD). В этом слу-

Рис. 3.12. Зависимости числа циклов нагружения от давления (а) и деформации сжатия (6)

чае IV « 107 при р = 15...25 МПа и 9 = 20...50°C. Результаты этих испытаний оформляют в виде графиков в логарифмических координатах lg N = а — — Р 1g р (где аир — коэффициенты, зависящие от твердости, р, 8 и 9). На рис. 3.12, а показана подобная зависимость для случая синусоидального изменения давления с частотой со = 1 Гц: р = Ртах + Ар sin cot. При постоянном Ртах значение N тем меньше, чем больше амплитуда Ар. Если Ар = ртах, для определения N используют уравнение

lg N = А) + В () +

\ *^0 /\ О Од У

+ С |1

\lgP IgP? '

где А =2,6 К; Го = 293 К; В = 0,08... ...0,15 мм — коэффициент, зависящий от модуля эластичности резины Е„, давления р и температуры Т; 8, 80 — зазор, мм (60 = 0,2 мм); С = /^Ет\

Экспериментально установлено, что существует оптимальная деформация е сжатия колец, при которой циклическая долговечность максимальна (рис. 3.12, б).

Надежность. В гидравлических приводах при р л 15 МПа (ртах < 25 МПа) и 9 ^ 60 °C средняя наработка отказа (потери герметичности) колец составляет примерно 107 циклов. Для описания ве-

Рис. 3.13. Зависимость коэффициента герметичности от диаметра сечения кольца, мм: 1 -5,7; 2-3,1; 3-2,3; 4- 1,5

роятности распределения отказов можно принять закон

Р^ = еЛ (3.11)

где X = 10-7, ч-1 для радиальных и Х = 610-7 ч1 для аксиальных уплотнений в первые годы эксплуатации при 9 ^ 60 °C [36].

Дефекты уплотнений, выявляемые при приемно-сдаточных испытаниях и в начале эксплуатации, носят случайный характер и определяются в основном культурой производства предприятия и конструктивным совершенством гидропривода. Введем понятие коэффициента герметичности г] = т/п, равного отношению числа испытаний т, в которых обнаружена полная герметичность, к общему их числу и. Необходимо обеспечить т] = 1. Для выявления факторов, снижающих герметичность, представляют интерес испытания, при которых т] < 1. Влияние параметров кольца на герметичность отражают зависимости (рис. 3.13), построенные по результатам испытаний при циклическом изменении давления от ртм до 0. Каждому сечению кольца (каждому d) соответствует определенная минимальная деформация сжатия Екр, зависящая от Rz канавки. При снижении температуры эксплуатации Екр возрастает (рис. 3.14, а). Процессы старения ухудшают герметичность (рис. 3.14, б). Для обеспечения герметичности необходима минимальная ширина контакта /0 > 1,5 мм. Контактное давление рю следует обеспечить при установке кольца, во время эксплуатации оно уменьшается вследствие понижения температуры и старения.

Рис. 3.14. Зависимости Екр от диаметра d при различных температурах (а) и продолжительности термостарения при различных d (б)Рис. 3.14. Зависимости Екр от диаметра d при различных температурах (а) и продолжительности термостарения при различных d (б)Влияние низких температур. С понижением температуры ухудшается восстанавливаемость резины и проявляется влияние разности температурных коэффициентов линейного расширения, что приводит к уменьшению контактного давления (рис. 3.15). При 9 ж 9С время релаксационных перегруппировок цепей молекул резины становится настолько большим, что при разгрузке за ограниченное время форма детали полностью не восстанавливается.

Рис. 3.14. Зависимости Екр от диаметра d при различных температурах (а) и продолжительности термостарения при различных d (б)

Рис. 3.14. Зависимости Екр от диаметра d при различных температурах (а) и продолжительности термостарения при различных d (б)

Уплотнение с начальным размером h0, установленное в посадочное место с размером hi, после разгрузки некоторое время имеет размер h^, а не h0. Отношение Кв = (/12 — /ii)/(/io — Ki) называют коэффициентом морозостойкости по эластическому восстановлению (ГОСТ 13808 — 79). На рис. 3.16, а показаны кривые изменения Кв морозостойкой резины на основе каучука СКН-18 (9С = = —52 °C) после снятия нагрузки. Обычно Кв определяют после выдерж-

Рис. 3.15. Зависимость контактного давления при е = 30 % образцов резины на основе СКН-26 в масле от температуры и времени термостарения при 90 °CРис. 3.15. Зависимость контактного давления при е = 30 % образцов резины на основе СКН-26 в масле от температуры и времени термостарения при 90 °Cки в течение 3 мин. Для оценки температурной зависимости Кв (рис. 3.16, б) можно использовать приближенную формулу [35]

Рис. 3.15. Зависимость контактного давления при е = 30 % образцов резины на основе СКН-26 в масле от температуры и времени термостарения при 90 °C

Рис. 3.15. Зависимость контактного давления при е = 30 % образцов резины на основе СКН-26 в масле от температуры и времени термостарения при 90 °C

Кв = 1 - ехр [ —(9С + 2 - 9)/а],

где а——12°C для резин на основе каучуков СКН-18 и СКН-26; а = -15°С для резин на основе каучука СКН-40.

Кв(9) и рк(9) показы-Кв(9) и рк(9) показы-Рис. 3.16. Зависимости коэффициента морозостойкости Кв от времени после разгрузки (а) и температуры (б) для резин на основе каучуков:I - СКМС-10; 2 - СКН-18; 3 - СКН-26; 4 - СКН-40Рис. 3.16. Зависимости коэффициента морозостойкости Кв от времени после разгрузки (а) и температуры (б) для резин на основе каучуков:I - СКМС-10; 2 - СКН-18; 3 - СКН-26; 4 - СКН-40Анализ зависимостей

Кв(9) и рк(9) показы-

Кв(9) и рк(9) показы-

Рис. 3.16. Зависимости коэффициента морозостойкости Кв от времени после разгрузки (а) и температуры (б) для резин на основе каучуков:

I - СКМС-10; 2 - СКН-18; 3 - СКН-26; 4 - СКН-40

Рис. 3.16. Зависимости коэффициента морозостойкости Кв от времени после разгрузки (а) и температуры (б) для резин на основе каучуков:

I - СКМС-10; 2 - СКН-18; 3 - СКН-26; 4 - СКН-40

вает, что коэффициент Кв не является критерием, достаточным для оценки поведения уплотнения при низких температурах. Для сохранения герметичности уплотнения при предельно низких температурах необходимо использовать резину, обеспечивающую К„>0,15.

Кольца резиновые уплотнительные круглого сечения

Конструкция и размеры резиновых уплотнительных колец круглого сечения (рис. 3.17, а) регламентированы ГОСТ 9833 — 73 (табл. 3.5), технические требования (включая группы резины, их физико-механические показатели, правила приемки, гарантии) — ГОСТ 18829—80. Рекомендуемые размеры посадочных мест цилиндрической формы для установки в изделия даны в приложении к ГОСТ 9833 — 73; основные размеры канавок под кольца (рис. 3.18) — в табл. 3.6.

Диаметры DK и d (см. табл. 3.5) назначены так, чтобы диаметры штоков D и цилиндров Du (рис. 3.17,б) соответствовали ряду Ra 20 по ГОСТ 6636 — 69 и основному ряду ГОСТ 12447 — 80 в следующих интервалах D, мм: d = 1,4 для D = 3...4; d = 1,9 для D = 3...5O; d = = 2,5 для D = 4...15O; d=3 для D = = 20...150; d =3,6 для D = 22...250; d = 4,6 для D = 28...250; d = 5,8 для 7) = 50...500; <7 = 7,5 для D = 82...132 (не рекомендуются); d = 8,5 для D = = 135...400.

Установлены две группы точности колец (по предельному отклонению диаметра сечения dy. повышенной — для

Рис. 3.17. Размеры кольца круглого сечения: а, б — в поперечном и диаметральном сечениях; в — положение относительно цилиндра (Du) и штока (D)

подвижных соединений и нормальной — для неподвижных и подвижных соединений.

Условное обозначение стандартного кольца: 000 (диаметр штока D) — 000 (диаметр цилиндра D^ — 00 (d-10 в мм) — 0 (группа точности) — 0 (группа резины). Пример условного обозначения кольца для D = 20 и О„ = 25 мм с d = 3 мм, группы точности 2 из резины группы 4: кольцо 020-025-30-2-4 ГОСТ 9833 - 73/ 18829-73.

Отклонения от геометрической формы сечения стандартного кольца (см. рис. 3.17, б): смещение / по плоскости разъема пресс-формы, овальность dv — — d2 и облой О-в мм не должны выходить за пределы допуска на d и не должны превышать 0,1 (J < 3 мм); 0,15 (d ^ <5,8 мм); 0,2 (</<8,5 мм). Для колец специального исполнения и колец по международным нормам (7SO/TS 39/SC1)

Рис. 3.18. Размеры канавки:

а, б — для кольца при уплотнении цилиндра (Рц) и штока (D); в -- для торцового уплотнения; г — в форме конусной фаски

Таблица 3.5

Размеры, мм, рекомендуемых к применению резиновых колец круглого сечения

Диаметр сечения d

Внутренний диаметр DK

Номинальный

Предельное отклонение

Номинальный

Интервал

Предельное отклонение

От

До

1,4

2,8

3,8

1

-0,2

1,9

+ 0,10**

2,8

3,8

1

-0,2

-0,05

4,7

5,7

1

±0,10*

6,7

9,7

1

-0,3

10,6

16,6

1

17,5

24,5

1

-0,4

2,5

±0,10*

3,8

—

—

-0,2

4,7

5,7

1

+ 0,20**

6,7

9,7

1

-0,3

-0,10

10,6

16,6

1

17,5

24,5

1

-0,4

25,5

29,5

1

-0,5

31,0

—

—

-0,6

33,0

37,0

2

39,0

44,0

1

-0,7

45,0

49,0

2

-0,8

50,0

—

—

51,0

—

—

-0,9

53,0

55,0

1

57,0

59,0

2

-1,0

60,0

61,0

1

—

62,5

—

—

—

132,5

142,5

5

-2,2

147,5

—

—

-2,4

3

±0,10*

21,5

24,5

1

-0,4

+ 0,20**

26,5

27,5

1

-0,5

-0,10

29,5

—

—

-0,5

31,0

32,0

1

-0,6

34,0

36,0

1

-0,6

39,0

44,0

2

-0,7

49,0

50,0

1

-0,8

54,0

55,0

1

-0,9

58,0

59,0

1

-1,0

62,0

—

-1,0

63,5

64,5

1

-1,1

68,5

69,5

1

-U

73,5

—

—

-и

78,5

—

-1,3

Продолжение табл. 3.5

Диаметр сечения d

Внутренний диаметр DK

Номинальный

Предельное отклонение

Номинальный

Интервал

Предельное отклонение

От

До

83,5

88,5

5

-1,4

93,0

—

—

-1,5

98,0

100,0

2

-1,6

103,0

—

—

-1,6

105,0

108,0

3

-1,7

110,0

113,0

3

-1,8

118,0

—

—

-1,9

122,5

127,5

5

-2,0

132,5

142,5

5

-2,2

147,5

—

—

-2,4

3,6

±0,10*

13,6

16,6

1

-0,3

±0,20**

17,5

24,5

1

-0,4

-0,10

25,5

29,5

1

-0,5

31,0

33,0

1

-0,6

34,0

35,0

1

-0,6

37,0

—

—

-0,6

38,0

39,0

1

-0,7

41,0

43,0

2

-0,7

44,0

—

—

-0,7

45,0

47,0

2

-0,8

48,0

49,0

1

-0,8

51,0

53,0

2

-0,9

54,0

56,0

1

-0,9

57,0

59,0

1

-1,0

61,0

62,0

1

-1,0

62,5

—

1

-1,0

63,5

64,5

1

-1,1

66,5

69,5

1

-1,1

70,5

72,5

2

-1,2

73,5

74,5

1

-1,2

76,5

—

-1,2

77,5

78,5

1

-1,3

80,5

82,5

2

-1,3

83,5

84,5

1

-1,4

86,5

88,5

1

90,5

92,0

1,5

-1,5

93,0

94,0

1

96,0

97,0

1

98,0

102,0

2

-1,6

103,0

—

—

104,0

106,0

2

-1,7

107,0

108,0

1

110,0

112,0

2

-1,8

113,0

116,0

3

118,0

—

—

-1,9

Продолжение табл. 3.5

Диаметр сечения d

Внутренний диаметр DK

Номинальный

Предельное

отклонение

Номинальный

Интервал

Предельное

отклонение

От

До

121,5

126,5

5

-2,0

131,5

141,5

5

-2,2

146,5

151

4,5

-2,4

156,0

166,0

5

-2,6

171,0

181,0

5

-2,8

186,0

191,5

5,5

-3,0

195,5

—

—

4,6

±0,10*

27,5

29,5

2

-0,5

+ 0,20**

31,0

33,0

2

-0,6

-0,10**

34,0

37,0

1

39,0

43,0

2

-0,7

44,0

—

—

46,0

47,0

1

-0,8

49,0

—

_

51,0

53,0

2

-0,9

54,0

56,0

2

57,0

61,0

2

-1,0

62,0

62,5

0,5

63,5

65,5

2

-U

66,5

68,5

2

70,5

72,5

2

-1,2

73,5

75,5

2

76,5

—

—

78,5

80,5

2

-1,3

82,5

88,5

3

-1,4

90,5

92,0

1,5

-1,5

95,0

—

—

98,0

102,0

2

-1,6

105,0

108,0

3

-1,7

110,0

112,0

2

-1,8

115

—

—

118,0

120,0

2

-1,9

122,5

127,5

5

-2,0

132,5

142,5

5

-2,2

147,5

152,0

4,5

-2,4

157,0

167,0

5

-2,6

172,0

182,0

5

-2,8

187,0

191,5

4,5

-3,0

196,0

—

—•

-3,0

201,5

206,5

5

-3,2

Продолжение табл. 3.5

Диаметр сечения d

Внутренний диаметр DK

Номинальный

Предельное отклонение

Номинальный

Интервал

Предельное отклонение

От

До

211,5

216,0

4,5

-3,4

221,0

—

—

226,0

236,0

5

-3,6

241,0

245,5

4,5

-3,8

5,8

±0,15*

49,0

—

-0,8

+0,30**

52,0

54,0

2

-0,9

-0,15

55,0

—

—

59,0

61,0

1

-1,0

63,5

68,5

5

-1,1

70,0

—

—

73,5

—

—

-1,2

78,5

—

—

-1,3

83,5

88,5

5

-1,4

93,0

—

—

-1,5

98,0

103,0

5

-1,6

108,0

—

—

-1,7

113,0

—

—

-1,8

118,0

_

—

-Г,9

122,5

127,5

5

-2,0

132,5

142,5

5

-2,2

147,5

152

4,5

-2,4

157,0

167,0

5

-2,6

172,0

182,0

5

-2,8

187,0

191,5

4,5

-3,0

196,5

—

—

201,5

206,5

5

-3,2

211,5

216,0

4,5

-3,4

221,0

—

—

226,0

236,0

5

-3,6

241,0

245,5

4,5

-3,8

250,5

260,5

5

-4,0

265,5

280

5

-4,3

285,0

290,0

5

-4,5

294,5

—

—

304,5

334,5

10

-5,0

344,0

354,0

10

-5,5

364,0

373,5

9,5

-6,0

383,5

393,5

10

Продолжение табл. 3.5

Диаметр сечения d

Внутренний диаметр Дк

Номинальный

Предельное отклонение

Номинальный

Интервал

Предельное

отклонение

От

До

413,5

433,5

20

443,5

453,5

10

473,5

493,5

20

8,5

±0,20*

175,0

180,0

5

-2,8

+0,30**

185,0

191,5

6,5

-3,0

-0,20

196,0

—

—

201,5

206,5

5

-3,2

211,5

216,5

5

-3,4

221,0

—

—

226,0

236

5

-3,6

241,0

245,5

4,5

-3,8

250,5

260,5

5

-4,0

275,0

280,0

5

-4,3

294,5

299,5

5

-4,5

314,5

319,5

5

-5,0

334,0

339,0

5

354,0

359,0

5

-5,5

373,5

380,5

7

-6,0

383,5

393,5

10

* Отклонения для колец группы 1.

** Отклонения для колец группы 2.

Примечание. Значения интервала даны для определения промежуточных диаметров Ок, рекомендуемых ГОСТ 9833 — 73, но не указанных здесь.

Таблица 3.6

Рекомендуемые размеры, мм, мест установки под кольца круглого сечения

Диаметр сечения d

Радиальные соединения

Торцовые соединения

Ширина ЛН11

Диаметр d^9

Диаметр dfHlO

Глубина А(+0,1)

Ширина £TH12

Конусная фаска Л/Н12

1,4

1,8

Du-2

D+2

1,0

2,0

2,0

1,9

2,6

Du - 2,8

27 + 2,8

1,4

2,5

2,5

2,5

3,6

27ц —3,7

27+3,7

1,85

3,5

3,3

3,0

4,0

Du - 4,7

27+4,7

2,2

4,5

4,2

3,6

4,7

Du - 5,6

27+5,6

2,6

5,0

5,0

4,6

5,6

A,-7,4

27 + 7,4

3,3

6,0

7,2

5,8

7,0

Du - 9,2

27+9,2

4,2

7,5

7,8

8,5

10,3

Du - 13,6

27+13,6

6,5

10,5

11,5

Таблица 3.7

Группы резин для изготовления колец круглого сечения

Показатель

Группа резины

0

1

2

3

4

5

6

7

Диапазон ра-

-15...

-30...

-50...

-60...

-30...

-20...

-20...

-50...

бочих температур, °с

+ 100

+ 100

+ 100

+ 100

+ 120

+ 150

+200

+200

Твердость IRHD

75...85

55...70

70...80

75...85

75...85

75...90

65...80

65...80

Температура, соответствующая ^=0,2 (ГОСТ

13808-79), °C

-10

-20

-45

-45

-20

-10

-10

-50 № = = 0,45)

Температура хрупкости Эхр (ГОСТ 7912-74), °C

-15

-30

-50

-50

-30

-25

-25

-60

Степень набухания qp, %, в смеси бензина и бензола

15

35

35

35

35

2

2

предусмотрены более жесткие допуски: для /, О, d2 — d^ до 0,08 мм, для /о до 0,13 мм.

Поверхности канавки для радиальных уплотнений неподвижных соединений согласно ГОСТ 9833 — 73 (см. рис. 3.18) рекомендуется обрабатывать с шероховатостью, соответствующей Ra = 2,5 мкм, параметр шероховатости контртела Ra ^ 1,25 мкм. При D < 80 мм и р < < 10 МПа допуски на диаметры D по 19 на Иц по НЮ. При D > 80 мм целесообразно назначать глубину канавки Ь+од мм. При постоянном давлении р > 20 МПа или пульсирующем давлении р > 10 МПа рекомендуется применять защитные шайбы либо обеспечивать сочетание размеров, при котором радиальный зазор не превышает 0,02 мм. Ширина канавок Ьш для уплотнений с защитной шайбой увеличивается на толщину шайбы /ш. ГОСТ 18829 — 80 регламентирует 8 групп резин для изготовления колец в зависимости от диапазона рабочей температуры и степени набухания в стандартной среде (табл. 3.7).

Зарубежные стандарты на кольца круглого сечения приведены в табл. 3.8, размеры колец по BS 4518 —1974 —в

Таблица 3.8

Зарубежные стандарты на кольца круглого сечения

Страна

Обозначение

Номер

Великобритания

BSI

1806; 3526; 4518;

5106; 5380

МЗЗ*; M48*

ФРГ

DIN

2693; 3770; 4060

Япония

JIS

B2401; B2406;

B2407

W1529

Швеция

SMS

1586; 1587; 1588;

2292; 2293; 2294

США

ANSI

ASTM SAE

D1414-72;

DI 869 - 66

D1414-72

J120a; J515a

ARP: AIR

ARP 1231; ARP 1232A

ARP 1233; AS

3085

* Для аэрокосмической техники.

Таблица 3.9

Размеры, мм, кольца круглого сечения по BS 4518 -1974

DK

d

Ок

d

От

До

От

До

3,1 ±0,15

3,6 ±0,15

19,5 ± 0,25

84,5 ± 0,5

37,1 ±0,3

69,6 ± 0,4

79,5 ± 0,4

249,5 ±0,8

1,6 ± 0,08

2,4 ± 0,08

3 ±0,1

3 ±0,1

29,4 ± 0,3

44,3 ± 0,3

144 ± 0,6

299,4 ± 1

499,3 ± 2

249 ± 0,8

4,1 ±0,12

5,7 ± 0,12

8,4 ±0,15

табл. 3.9. Для колец с размерами в дюймовой системе (США, Великобритания, Япония) установлены диаметры сечения d; 1/16” (1,78 мм) - 3/32” (2,62 мм) - 1/8” (3,53 мм)-3/16” (5,34 мм)-1,4” (6,99 мм).

Проектирование мест установки под уплотнения эластичными кольцами

Правила проектирования мест уста7 новки — канавок и сопряженных деталей — для колец УН различного профиля сечения в основном одинаковы. Кольца круглого сечения по ГОСТ 9833 — 73 для уплотнения штоков и цилиндров устанавливают в рекомендуемые стандартом канавки (см. табл. 3.6). Ширина этих канавок назначена с учетом размещения колец максимального объема, возможного при набухании в наиболее неблагоприятной среде. Если кольца предназначены для эксплуатации в среде жидкости или пара, в которых степень набухания не превышает 5%, можно проектировать канавки меньшей ширины, что дает существенное снижение габаритов и массы изделий. Нестандартные канавки проектируют для сложных фланцевых соединений, для колец различного профиля сечения, а также для внутренних уплотнений, которые можно повредить при сборке.

При конструировании мест установки под эластичные кольца руководствуются следующими основными правилами.

Начальная деформация сечения кольца должна обеспечивать необходимое контактное давление во всех усло

виях эксплуатации. Только в конце срока эксплуатации контактное давление может снизиться до критического значения, при котором наступает разгерметизация (см. подразд. 3.2).

Кольцо должно быть установлено в канавке так, чтобы под нагрузкой оно не перемещалось.

Объем канавки должен быть больше объема кольца с учетом допусков на изготовление и набухания кольца под действием давления среды.

Зазор между сопрягаемыми поверхностями с учетом температурных и силовых деформаций должен быть меньше зазора, при котором происходит выдавливание кольца.

Поверхность сопрягаемых с кольцом деталей должна иметь оптимальную шероховатость (дефекты в виде рисок, раковин и т. п. строго регламентируют и подвергают обязательному контролю).

Существуют четыре типа посадок уплотнений, для которых выбор колец и мест установки различен. Рассмотрим их на примере уплотнений наиболее распространенными кольцами круглого сечения при установке в цилиндрическую канавку. Парис. 3.19, б показано радиальное уплотнение, в котором кольцо, установленное с натягом по внутреннему диаметру канавки, уплотняет сопряженный цилиндр наружным диаметром Dp, размер которого перед сборкой соединения в ответственных случаях рекомендуется контролировать. На рис. 3.19, а показано радиальное уплотнение для внутренней поверхности, в котором кольцо установлено в канавку с натягом по наружному диаметру.

На рис. 3.19, в показано торцовое

Рис. 3.19. Схема установки кольца в посадочные места

уплотнение плоского разъема при действии давления среды изнутри. Кольцо устанавливают в канавку Du с обжатием по наружному диаметру до 3 %, т. е. с учетом допусков выбирают соотношение Пк + 2d > Du. Такое же уплотнение при действии давления среды снаружи показано на рис. 3.19, г. Кольцо устанавливают в канавку растянутым по внутреннему диаметру на 1 — 5 % (пределы растяжения определяются допусками на размеры посадочного диаметра D — DK кольца и канавки). Для обеспечения работы уплотнений при давлениях свыше 20 МПа рекомендуется устанавливать защитные шайбы из фторопласта или аналогичных материалов, которые под действием давления закрывают зазор и предотвращают выдавливание колец (рис. 3.19, д — для торцового уплотнения и рис. 3.19, е — для радиального). При давлениях до 20 МПа кольца можно устанавливать без защитных шайб, обеспечивая практически до-

Таблица 3.10

Допустимые зазоры

р» МПа

Зазор, мм, на сторону (с учетом деформации) при твердости резины IRHD

70

80

90

0-5

0,10

0,12

0,15

5-10

0,06

0,08

0,10

10-15

0,03

0,06

0,06

15-20

0,02

0,04

0,04

пустимые значения зазоров (табл. 3.10). Выбор размера сечения кольца зависит от периметра уплотнения. При увеличении периметра уплотнения допуски на неточность изготовления и число возможных дефектов увеличиваются, поэтому при больших периметрах уплотнения следует увеличивать размеры сечения кольца (и соответственно канавки). При этом повышается надежность уплотнения. Кольца изготовляют ориентировочно с допусками, указанными в табл. 3.5 и 3.9. Поскольку их значения велики, для правильной установки кольца важно сочетание допусков кольца и канавки.

Внутренний диаметр кольца DK выполняют несколько меньше, чем диаметр места установки, чтобы обеспечить посадку в канавку с растяжением кольца.

Для канавок во фланцах сложной формы необходимо с высокой точностью определить и ограничить допусками периметр L стороны, которая является опорной для кольца. Затем следует определить эквивалентный диаметр опорной стороны канавки Вц = L/к и назначить ширину канавки В, допуски и требования к обработке (по рис. 3.18 и табл. 3.6 или по результатам расчетов). При мелкосерийном производстве крупных изделий (Р > 400 мм) для герметизации разъемов корпусов, находящихся при малом давлении, применяют кольца из шнура, соединенные в месте стыка способом вулканизации. Шнур укладывают в канавку, размечают, отрезают и затем вулканизуют.

Такое кольцо более точно прилегает к

опорной стороне канавки, но имеет более грубые размеры в месте стыка, чем кольцо, изготовленное в пресс-форме. Для уплотнений внутренних соединений, к которым не предъявляют жестких требований к герметичности, целесообразно применять кольца уменьшенного сечения. Это существенно снижает габариты и массу узлов с большим числом уплотнений.

Размеры канавки должны обеспечивать деформацию сжатия кольца по сечению для создания необходимого контактного давления рко при всех сочетаниях допусков на размеры канавки и кольца. При низком давлении герметичность обеспечивается при среднем контактном давлении не менее 0,2 МПа. Значение рко определяется относительной деформацией сжатия е и мало зависит от диаметра сечения d, поэтому для всех размеров колец выбирают е = 100 (d — — h)/d, где й — сумма высоты канавки и зазора между деталями с учетом эксцентриситета.

При разнородных материалах мест установки учитывают увеличение зазора вследствие температурных деформаций, а при тонких стенках — вследствие деформаций, происходящих под действием давления и других нагрузок. Кроме того, при расчете е необходимо учитывать сплющивание колец радиальных уплотнений вследствие растяжения их в канавках. Начальная относительная деформация Emin должна обеспечивать минимальное контактное давление pimin к концу эксплуатации изделия.

Верхний предел Етах определяется сочетанием допусков. Как показал опыт, при е = 20...30% накопление остаточной деформации происходит медленнее, причем е = 22...25% соответствует наибольшей циклической долговечности. Таким образом, с учетом допусков н^ размеры и процесса старения резины необходимо для уплотнений наружных соединений обеспечивать [36]:

Emin " (Kdmin ^max)/dmin> ^ ^^ Emax ” (^max ^min)/^max*

Таблица 3.11

Коэффициенты для расчета размеров канавок под эластомерные кольца

DK> мм

А^К» %

К1

К2 при Э = = -40... ...-50 °C

К1К2

До 10

4-6

0,95

0,99

0,94

10-20

3-4

0,97

0,99

0,96

20-70

2-3

0,98

0,99

0,97

Св. 70

2

0,98

0,99

0,97

Здесь К — поправочный коэффициент, учитывающий сплющивание колец (Ki), изменение сечения кольца и канавки на морозе (Кг), изменение сечения кольца вследствие набухания (растворения) резины в рабочей жидкости (К3): К = = KiK2K3 (табл. 3.11).'

Коэффициент Кз учитывают только для резин, объем которых уменьшается в рабочей жидкости. Если коэффициент объемного набухания ДР = = 1У~ ИоЖ то изменение диаметра d сечения

d + M = d^l + ДР»

» d ± dAV/З; К3 = (d ± M)/d == 1 ± дг/з.

Если разность температурных коэффициентов линейного расширения материалов сопрягаемых деталей («л — «в) велика, то при низких температурах возможно значительное увеличение размера hmax и недопустимое уменьшение Emin- Изменение высоты посадочного места ДД под влиянием температуры определяют по формуле

Дй = 0,50 [(Оц/О) ал - ав] Д9, где Д9 — перепад температур от 20 °C до предельной нижней.

Деформации цилиндра под действием давления вычисляют по известным формулам [4]. Для торцовых уплотнений обязателен расчет болтов крышки, так как давление на крышку обычно велико. При этом затяжка болтов должна обеспечивать нераскрытие стыка.

Ширина канавки В определяет ее объем и существенно влияет на габариты соединения. Кольцо должно быть расположено в канавке свободно: объем канавки должен быть на 5 —10 % больше объема кольца с учетом неблагоприятного сочетания допусков. Это условие учитывает объемное набухание кольца в среде до 5 %. Для резин с большой степенью набухания в рабочей жидкости необходимо предусматривать канавки с увеличенным объемом. Для уменьшения перемещения кольца в канавке желательно назначать ее ширину равной ширине d' деформированного кольца. Для уплотнений внутренних соединений во многих случаях целесообразно назначать £min меньше расчетного [см. уравнение (3.12)], чтобы уменьшить ширину канавок и облегчить условия сборки (а следовательно, уменьшить вероятность повреждения колец при сборке).

Объем кольца Vo = t.DcS, где Dc — диаметр центра тяжести сечения; S — площадь сечения кольца.

Для колец круглого сечения наибольший объем тороида Кипах = 0,25л2 (Dmax + + dmax) dLx, где D^ - наибольший внутренний диаметр кольца; dmax — наибольший диаметр сечения кольца (оба размера берут с поправкой на набухание в среде).

Ширину канавки В выбирают по объему Цтт = ^И0 (kv = 1,05... 1,5) по формулам:

для радиальных уплотнений

К = 0,25л №-D2)B;

для торцовых уплотнений

Ц = 0,5л (D„ + D) Bh,

Рис. 3.20. Схема монтажа защитного кольца из фторопласта-4 в закрытую кенавку

где D„ и D - наружный и внутренний диаметры канавки соответственно.Применение и монтаж защитных колец.Защитные кольца для предохранения от выдавливания эластомерных колец в зазор рекомендуют применять при 5 > 0,02 мм, пульсирующем давлении р > 10 МПа или постоянном давлении р > 20 МПа. Они обязательны в УН с кольцами из резин малой прочности (нагде D„ и D - наружный и внутренний диаметры канавки соответственно.Применение и монтаж защитных колец.Защитные кольца для предохранения от выдавливания эластомерных колец в зазор рекомендуют применять при 5 > 0,02 мм, пульсирующем давлении р > 10 МПа или постоянном давлении р > 20 МПа. Они обязательны в УН с кольцами из резин малой прочности (наРис. 3.21. Уплотнение с защитным кольцом в открытой (а) и закрытой (б) канавкеРис. 3.21. Уплотнение с защитным кольцом в открытой (а) и закрытой (б) канавке5 Под ред. А. И. Голубева и Л. А. Кондакова5 Под ред. А. И. Голубева и Л. А. Кондаковаоснове кремнийорганических и фтор- силиконовых каучуков) при р > 1 МПа. Допускается применять защитные кольца при р, меньшем указанных. Защитные кольца изготовляют преимущественно из фторопласта-4 цельными или торцовоспиральными (последние удобнее монтировать в канавки). Цельные защитные кольца 1 монтируют с помощью конусных оправок 2 (рис. 3.20). Предпочтительнее устанавливать их в открытые канавки (рис. 3.21, а), не подвергая деформации при монтаже. Это особенно относится к кольцам из более твердых пластмасс (на основе полиамида и полиуретана), которые для обеспечения монтажа в закрытые канавки выполняют разрезными. Применение разрезных защитных колец снижает, однако, ресурс уплотнения при пульсирующих нагрузках, так как в месте стыка кольца происходит постепенно накопление повреждений. Размеры защитных колец (рис. 3.21, б) выполняют по технической документации: ширина равна высоте канавки [0,5 (Dx — О2) = А]. Допуски на Dv — по h9, на D2 — по Н9. Толщина s + 0,1 мм составляет: при Dv < 48 мм 1,5 мм; при Di =50...180 мм — 2 мм; при Dj = 190...200 мм — 3 мм. Ширину канавки комплектного уплотнения увеличивают на s.

где D„ и D - наружный и внутренний диаметры канавки соответственно.

Применение и монтаж защитных колец.

Защитные кольца для предохранения от выдавливания эластомерных колец в зазор рекомендуют применять при 5 > 0,02 мм, пульсирующем давлении р > 10 МПа или постоянном давлении р > 20 МПа. Они обязательны в УН с кольцами из резин малой прочности (на

где D„ и D - наружный и внутренний диаметры канавки соответственно.

Применение и монтаж защитных колец.

Защитные кольца для предохранения от выдавливания эластомерных колец в зазор рекомендуют применять при 5 > 0,02 мм, пульсирующем давлении р > 10 МПа или постоянном давлении р > 20 МПа. Они обязательны в УН с кольцами из резин малой прочности (на

Рис. 3.21. Уплотнение с защитным кольцом в открытой (а) и закрытой (б) канавке

Рис. 3.21. Уплотнение с защитным кольцом в открытой (а) и закрытой (б) канавке

5 Под ред. А. И. Голубева и Л. А. Кондакова

5 Под ред. А. И. Голубева и Л. А. Кондакова

6)

Рис. 3.22. Схемы правильного монтажа колец

При конструировании уплотнений и разработке технологии сборки должны быть предусмотрены элементы, обеспечивающие правильный монтаж уплотнений. Приступая к конструированию узла с уплотнениями, необходимо тщательно проанализировать последовательность сборки сопряженных деталей. Если вал 1, имеющий резьбу, шлицы, кольцевые проточки, фрезерованные канавки и т. п., при монтаже проходит через уплотнение 2, то максимальный диаметр выступающих частей dp должен быть меньше минимального внутреннего диаметра кольца Dp (рис. 3.22, а, б). При сборке необходимо применять оправки 3, защишаюшие кольца от возможных повреждений. В местах сверлений диаметр вала следует уменьшить, а в цилиндрах 4 предусмотреть проточки диаметром D'p> Dp для исключения среза кольца острыми кромками (рис. 3.22, 6). Заходные фаски (рис. 3.22, б, в) должны иметь скругление линии перехода конуса в цилиндр и следующие размеры с, в зависимости от диаметра кольца:

d, мм . . . 22,5 3 456

с, мм, не менее .1,2 1,6 2 2,5 2,5 3

Для снижения трения при монтаже кольца радиальных уплотнений смазывают ПСМ. Чтобы кольца торцовых уплотнений не выпадали при сборке из канавок, их также смазывают ПСМ, который в данном случае действует подобно клею. ПСМ не должен вызывать изменения размеров колец. Для нитриль- ных резин применяют ЦИАТИМ-221 на основе силиконов или ЦИАТИМ-201 на основе минеральных масел. При заливке изделия рабочей жидкостью ПСМ постепенно растворяется в ней.

Сила трения Рф при монтаже колец зависит от твердости Н (модуля £) резины, вида обработки, угла фаски а, степени деформации £ и применяемого ПСМ. При очень больших усилиях монтажа должны быть продуманы и указаны в технологической документации методы сборки. Силу Рф, Н, оценивают по табл. 3.12 и формуле [36]

Рф = РфкП,Д,

где Рф — сила, отнесенная к площади KDpd и определяемая по составляющей

Таблица 3.12

Ориентировочные значения силы Рф

Угол фаски а,°

е

Значения Рф, МПа, при твердости резины

60

70

80

о,1

0,05

0,08

0,12

15

0,2

0,15

0,24

0,35

0,3

0,28

0,44

0,60

0,1

0,07

0,10

0,16

30

0,2

0,20

0,34

0,50

0,3

0,38

0,60

0,85

пласта; в — металлические гребенчатые; г — металлические проволочные; д, и, к — кассетные; е —пласта; в — металлические гребенчатые; г — металлические проволочные; д, и, к — кассетные; е —газонаполненные; ж, з- спирально-навитыегазонаполненные; ж, з- спирально-навитыеРис. 3.25. Уплотнения линейного контакта: а — с линзовой прокладкой; б — с гребенчатой; в — с рессорной К-образной прокладкой (J - прокладка; 2 — силовой элемент; 3 — фланец)Рис. 3.25. Уплотнения линейного контакта: а — с линзовой прокладкой; б — с гребенчатой; в — с рессорной К-образной прокладкой (J - прокладка; 2 — силовой элемент; 3 — фланец)

пласта; в — металлические гребенчатые; г — металлические проволочные; д, и, к — кассетные; е —

пласта; в — металлические гребенчатые; г — металлические проволочные; д, и, к — кассетные; е —

газонаполненные; ж, з- спирально-навитые

газонаполненные; ж, з- спирально-навитые

Рис. 3.25. Уплотнения линейного контакта: а — с линзовой прокладкой; б — с гребенчатой; в — с рессорной К-образной прокладкой (J - прокладка; 2 — силовой элемент; 3 — фланец)

Рис. 3.25. Уплотнения линейного контакта: а — с линзовой прокладкой; б — с гребенчатой; в — с рессорной К-образной прокладкой (J - прокладка; 2 — силовой элемент; 3 — фланец)

силы трения для среднего контактного давления на фаске,

Рф = 0,5£е3/2 [(//cos а) + sin а];

Е — модуль резины (см. табл. 2.4); j — коэффициент трения (без ПСМ / = = 0,6...0,8; с ПСМ /= 0,3...0,5).

Прокладки и прокладочные материалы

К прокладочным уплотнениям относятся уплотнения различных видов, предназначенные для герметизации фланцевых соединений:

плоские (листовые) прокладки для герметизации разъемов корпусов машин в условиях низкого рабочего давления (рис. 3.23, а);

плоские кольцевые прокладки, подразделяющиеся по конструкции уплотнения на открытые (рис. 3.24, а), закрытые замком (рис. 3.24, б) и закрытые в канавке шип — паз (рис. 3.24, в, г) для герметизации фланцевых соединений трубопроводов большого диаметра (Dy > 45 мм);

линзовые прокладки (рис. 3.25, а) для уплотнений линейного контакта конус — сфера, гребенчатые прокладки, имеющие острые кольцевые выступы (рис. 3.25, б), металлические рессорные прокладки, на-

Рис. 3.24. Фланцевые соединения с прокладками:

о —открытыми; о — закрытыми замком; в — закрытыми в канавке шип —паз; г — то же, с бугельным обжатием (7 — прокладка; 2 — болтовой или бугельный силовой элемент; 3 — фланец трубопровода)

пример, К-образного профиля (рис. 3.25, в);

специальные прокладки комбинированного типа.

По конструкции силового элемента уплотнения, создающего осевое усилие обжатия Рд, соединения подразделяют на болтовые (см. рис. 3.24, а — в), бугельные (см. рис. 3.24, г) и соединения

с помощью постоянно действующих сил (веса, давления).

Виды и материалы прокладок. Самые распространенные прокладки — листовые, их конфигурация определяется формой фланца (см. рис. 3.23, а). Материал прокладки выбирают прежде всего исходя из условий совместимости с рабочей и окружающей средами. По материалу прокладки подразделяют на шесть групп: эластомерные (резиновые), полимерные, композиционные неметаллические на основе бумаги или асбеста, металлические и комбинированные (из разных материалов). С точки зрения процессов в зоне контакта рассмотренные материалы характеризуются последовательным увеличением модуля упругости (табл. 3.13) и твердости, температурным коэффициентом линейного расширения, пористостью и однородностью структуры. Листовые неметаллические прокладки (рис. 3.23, а) изготовляют из бумаги, картона, резины, фибры, паронита, кожи, пробковых материалов, армированного полотна, фторопласта и других материалов. Метал- лические прокладки изготовляют плоскими и рифлеными (рис. 3.23, в), в виде проволочных (рис. 3.23, г) и трубчатых газонаполненных (рис. 3.23, е) колец, рессорного (рис. 3.25, в) и линзового (рис. 3.25, а) типов. Комбинированные из разных материалов прокладки бывают кассетными (рис. 3.23, д и к), в которых вязкоупругий неметаллический

сердечник заключен в кассету из металла или пластмассы, спирально-навитыми (рис. 3.23, ж, з) и частично оболочковыми (рис. 3.23, б). В спирально-навитой прокладке наполнитель (обычно асбестовый) заполняет объем между витками спирального металлического каркаса. Резиновые прокладки обычно применяют в соединениях низкого давления. Резинометаллические прокладки, в которых к металлической фигурной пластине прочно привулканизирован тонкий слой резины, применяют при высоких давлениях и сложном профиле фланца. В соединениях с недостаточной жесткостью болтов для широкого диапазона изменения давления и температуры применяют резинометаллические уплотнения торцовые (РУТ), в которых тарельчатые пружины 4 (см. рис. 3.40) обеспечивают рк > pKmin при больших деформациях и раскрытии стыка.

МатериалЕ, МПад*а,-106МатериалЕ, ГПа"т.МПа0*а/^106РезинаПолимеры:6-200,5150Алюминий Медь7012035700,34 0,3523,816,5полиэтилен150-2500,36—ЛатуньНО1100,3518,4фторопласт-4470-8500,45120Свинец1650,4429,0полистирол32000,3575Сталь углеродистаяСталь высоколегированная2062102003000,280,3Н.716,0Фибра5800-8000——Армко-железо2001500,312МатериалЕ, МПад*а,-106МатериалЕ, ГПа"т.МПа0*а/^106РезинаПолимеры:6-200,5150Алюминий Медь7012035700,34 0,3523,816,5полиэтилен150-2500,36—ЛатуньНО1100,3518,4фторопласт-4470-8500,45120Свинец1650,4429,0полистирол32000,3575Сталь углеродистаяСталь высоколегированная2062102003000,280,3Н.716,0Фибра5800-8000——Армко-железо2001500,312Физико-механические характеристики материалов прокладокФизико-механические характеристики материалов прокладокТаблица 3.13Таблица 3.13Механизм герметизации прокладками всех групп характеризуется наличием в месте контакта уплотнителя с фланцем контактного давления рк, обусловленного действием усилия обжатия РД от силового элемента (рис. 3.26, а). Давление рк должно обеспечивать такие упругие и пластические деформации в месте контакта, при которых полностью перекрываются все возможные пути утечки, возникающие вследствие погрешности формы и шероховатости поверхностей фланцев. При этом основным механизмом утечек является контактно-

Материал

Е, МПа

д*

а,-106

Материал

Е, ГПа

"т.

МПа

0*

а/^106

Резина

Полимеры:

6-20

0,5

150

Алюминий Медь

70

120

35

70

0,34 0,35

23,8

16,5

полиэтилен

150-250

0,36

—

Латунь

НО

110

0,35

18,4

фторопласт-4

470-850

0,45

120

Свинец

16

5

0,44

29,0

полистирол

3200

0,35

75

Сталь углеродистая

Сталь высоколегированная

206

210

200

300

0,28

0,3

Н.7

16,0

Фибра

5800-8000

—

—

Армко-железо

200

150

0,3

12

Материал

Е, МПа

д*

а,-106

Материал

Е, ГПа

"т.

МПа

0*

а/^106

Резина

Полимеры:

6-20

0,5

150

Алюминий Медь

70

120

35

70

0,34 0,35

23,8

16,5

полиэтилен

150-250

0,36

—

Латунь

НО

110

0,35

18,4

фторопласт-4

470-850

0,45

120

Свинец

16

5

0,44

29,0

полистирол

3200

0,35

75

Сталь углеродистая

Сталь высоколегированная

206

210

200

300

0,28

0,3

Н.7

16,0

Фибра

5800-8000

—

—

Армко-железо

200

150

0,3

12

Физико-механические характеристики материалов прокладок

Физико-механические характеристики материалов прокладок

Таблица 3.13

Таблица 3.13

Рис. 3.26. Схемы действия сил на прокладку пассивного типа (а) и ее элемент (6)Рис. 3.26. Схемы действия сил на прокладку пассивного типа (а) и ее элемент (6)Рис. 3.27. Зависимости контактного давления и утечки через прокладку от давления средыРис. 3.27. Зависимости контактного давления и утечки через прокладку от давления средыб)б)диффузионный (см. подразд. 1.3) в сочетании с утечками по микроканалам, не перекрытым при обжатии прокладки. Общие принципы герметизации, из которых вытекают требования к назначению минимального давления pKmim рассмотрены в подразд. 3.1, расчетные зависимости для уплотнений линейного контакта приведены в подразд. 3.1 и 3.6. Благодаря тому, что материал прокладки мягче материала фланцев, при сборке соединения поверхности фланцев не повреждаются и обеспечивается возможное 1Ь замены прокладок при ремонте. В результате деформации фланцев при затяжке болтов, действия давления среды и внешних нагрузок, контактные давления распределяются неравномерно: локальные значения pKi отличаются от средних рк0 = Рд/S (S — площадь прокладки). В зонах, для которых pKj < рк0, при любых условиях эксплуатации нельзя допускать уменьшения контактного давления ниже значения pKmin, при котором наступает раскрытие плотного стыка и разгерметизация соединения (рис. 3.27, й и 3.28). Однако чрезмерно большое контактное давление Рктах при обжатии прокладки может привести к ее разрушению. Обычно это проявляется в возникновении микротре- щин по периметру прокладки, которые

Рис. 3.26. Схемы действия сил на прокладку пассивного типа (а) и ее элемент (6)

Рис. 3.26. Схемы действия сил на прокладку пассивного типа (а) и ее элемент (6)

Рис. 3.27. Зависимости контактного давления и утечки через прокладку от давления среды

Рис. 3.27. Зависимости контактного давления и утечки через прокладку от давления среды

б)

б)

Рис. 3.28. Распределение контактного давления на стыке прокладки и фланца:а — при монтаже; б — при действии сил давления pS и момента М, изгибающего трубопроводРис. 3.28. Распределение контактного давления на стыке прокладки и фланца:а — при монтаже; б — при действии сил давления pS и момента М, изгибающего трубопроводбыстро разрастаются в усталостные трещины при эксплуатации под действием колебаний давления р и температуры 9 рабочей среды, изгибающих моментов М, вибрации и других факторов. По механизму герметизации при действии давления уплотнения подразделяют на две подгруппы: активные и пассивные. Активные уплотнения, к которым относят эластомерные прокладки в закрытых канавках, металлические рессорного типа (рис. 3.25, в), газонаполненные и пустотелые кольца (рис. 3.23, е), проявляют способность к самоуплотнению при действии давления среды. Важным преимуществом активных уплотнений является независимость от внешних

Рис. 3.28. Распределение контактного давления на стыке прокладки и фланца:

а — при монтаже; б — при действии сил давления pS и момента М, изгибающего трубопровод

Рис. 3.28. Распределение контактного давления на стыке прокладки и фланца:

а — при монтаже; б — при действии сил давления pS и момента М, изгибающего трубопровод

нагрузок благодаря непосредственному контакту фланцев, воспринимающих действие изгибающих моментов и вибраций. В пассивных уплотнениях, к которым относят большинство уплотнений с прокладками, под действием р и М уменьшается рк, ухудшается, а при критическом давлении р = ркр полностью теряется герметичность. Действие внешних нагрузок на фланцевое соединение при этом воспринимает прокладка.

Деление уплотнений на активные и пассивные обусловлено также их поведением при изменении температуры в широком диапазоне. Активные уплотнения из материалов с коэффициентами а, взаимно компенсирующими температурные деформации, сохраняют герметичность в широком диапазоне изменения температур. Очень важными эксплуатационными факторами являются релаксационные явления в материале прокладок и фланцев, а также ослабление резьбовых соединений во время эксплуатации. С учетом этих факторов при монтаже уплотнения необходимо обеспечивать запас рко-

Поведение пассивных прокладок под действием нагрузок (см. рис. 3.26, а). При монтаже прокладка обжимается усилием z болтов (zP6 = Р,), что создает среднее контактное давление рко = Pa(S и деформацию прокладки АН0 (е = = АН0/Н). Момент М, изгибающий трубопровод, и сила давления pSa (Sa — площадь, на которую действует давление среды) вызывают перераспределение давления рк (см. рис. 3.28, б). При этом вследствие удлинения болтов полностью или локально уменьшаются деформация сжатия прокладки (е < е0) и контактное давление (рк < рко). Из условия совместности начальной и дополнительной деформаций болтов А/б (А/б), фланцев А/ф (А/ф) и прокладки АН (AH') следует, что

$а М р__^. (3.13)

Здесь к — коэффициент, учитывающий фактическое распределение рк по поверх

ности прокладки при действии изгибающего момента М; w — относительная податливость [17]:

w = ХбДДб + 2Хф + Еп),

гдеХр = /б/Е$бЛф = 1ф/Еф$ф,Хп = H/EnS — податливости соответственно болтов, фланцев и прокладки, м/Н; /б, /ф, Н — высоты болтов, фланцев и прокладки, м (А/6 = ХбРб; А/ф = Хфрк0$; АН = ХПрк0Я

Зависимость рк от давления среды р показана на рис. 3.27, а. При р = ркр и уменьшении рк до предельно допустимого рктт наступает разгерметизация, Вследствие трудностей расчета деформаций фланцев на практике используют экспериментальные данные, согласно которым в уравнении (3.13) ориентировочно принимают к = (1/2) — (1/3) и w = 0,9 для паронита, w = 0,95 для фторопласта и мягких металлов, w = 1 — для стали [17]. При рК < pKmin (или р > ркр) утечки Q увеличиваются: сначала постепенно с повышением р происходит раскрытие микроканалов, затем более интенсивно (см. рис. 3.27, б). Такая зависимость Q (р) свойственна щелевым уплотнениям.

Нормы рко установлены на основании практического опыта для различных материалов прокладок.

Прокладки из неметаллических материалов. Резиновые плоские прокладки используют при р < 4 МПа и 9 = = —40... +100°С. Материал прокладок выбирают из условий совместимости с рабочей средой (см. подразд. 2.2). Обычно ширину прокладки I выбирают равной 0,l£>i для внутреннего диаметра £>i ^ 100 мм; I « 0,07£>] для D^ = = 100... 300 мм; /«0,06 £>i для D^ > 300 мм. Толщина прокладки для открытых фланцев Н «(0,1 ...0,2)/. При обжатии прокладки силой Р^о = РкоХ ее высота уменьшается до h0 = (1—е0)Н, где е0 = рк0/(Ео + Рко); Ео - модуль материала прокладки, МПа. Для резин объем при деформации практически не меняется, поэтому Ео = Е^ (1 + Ф2), где Е^ — условно равновесный модуль; Ф « 0,51/Н — коэффициент формы. У дли-

ES ( SoРкр ~ sHES ( SoРкр ~ sH(3.14)(3.14)

ES ( So

Ркр ~ sH

ES ( So

Ркр ~ sH

(3.14)

(3.14)

нение болтов под нагрузкой Рь вызывает уменьшение е < е0 и при е = = екР (р = Ркр) происходит разгерметизация:

где е0 определяется усилием затяжки Рао и рко (обычно е0 = 0,25 ...0,35); Екр = 0,02... 0,03.

Зависимость ркр (е0) для резиновых прокладок показана на рис. 3.29, а.

Прочность прокладки в открытых фланцах (рис. 3.26,6). Боковому выдавливанию прокладки под действием удельной силы Рр = hp препятствует сила трения Pf = 2fPA, и сопротивление растяжению Р„. Для материалов малой прочности (резины, асбеста, бумаги, пластмасс, пробки) условие равновесия определяется силой трения, поэтому для жестких фланцев давление среды в начале выдавливания прокладки [36]

Ркр лОД! — Е'кр)Н’ (- } где / = 0,6 для резины; / = 0,5 для паронита.

Из условия (3.15) следует, что при высоком давлении среды необходимо уменьшить высоту прокладки Н. Для увеличения коэффициента трения / на фланцах протачивают мелкие канавки.

Рис. 3.29. Зависимости контактного давления в момент разгерметизации от относительной деформации е0 резиновой прокладки (а) и давления среды р для паронитовой прокладки (6)

Уравнения (3.14) и (3.15) справедливы для ориентировочных расчетов прокладок из всех указанных материалов.

Пластмассовые и паронитовые плоскве прокладки применяют в широком диапазоне температур 9 при р < 10 МПа. Размеры прокладок в большинстве случаев определяются размерами стандартных фланцев. Выбор материала зависит от рабочей среды, температуры и давления. Так, фторопластовые прокладки применяют в агрессивных средах при 9 =—195...200°C, паронитовые — см. табл. 3.14. Необходимое для обеспечения герметичности контактное давление, зависящее от большого числа факторов, исследовано пока недостаточно. Типичная экспериментальная зависимость контактного давления в момент разгерметизации от давления среды показана на рис. 3.29,6. Обобщенная зависимость рко(р\ при которой рк> > Ptmin, имеет вид [28, 78]

Рко = (а + Ьр + тр2 - ир3) Kq, (3.16) где а, Ь, т, п — константы, определяемые экспериментально; Kq = = К1К2К3К4К5 — обобщенный коэффициент: КТ учитывает влияние шероховатости (для Аа = 0,08 мкм, К3 = 0,8; для Ra = 0,16 мкм Кх = 1; для Ra = = 0,32 мкм К^ = 1,2); К2 учитывает влияние неплоскостности и размеры уплотнения; К3 отражает влияние свойств среды (для воды К3 = 1; для воздуха 1,4; для пара 1,7; для водорода и гелия 2). К4 учитывает влияние температуры (для 20°С К4 = 1); К5 - коэффициент запаса, учитывающий ответственность изделия (для технологических линий Кs = 1,2; для ответственных объектов, пожаровзрывоопасных и токсичных сред К5 = 1,5; для особоответственных установок К 5 = 1,8).

Для выбора рко наиболее распространена формула, которую можно рассматривать частью уравнения (3.16) при малых р [14, 17, 29]:

р$й = к1^к2 + к3р^Г-5, (3.17)

Условия применения прокладок из паронитаУсловия применения прокладок из паронитаМарка паронитаСредаЭх, °C$тах’ ^р, МПаПОНВода пресная—2506,4Водные растворы солей-151002,5Спирты—1501,6Тяжелые нефтепродукты—2006,4Легкие нефтепродукты—1502,5Спирты1501,6Аммиак жидкий-401502,5Жидкий кислород-182—0,25Пар водяной—4506,4Воздух-501001,0Сухие нейтральные и инертные газы—4506,4ПМБВода морская—504Рассолы-405010Легкие нефтепродукты—2002,5Тяжелые нефтепродукты—3002Минеральные масла—1502,5Аммиак жидкий и газообразный-401502,5Воздух-502001,6Сжиженные и газообразные углеводороды С] —С5-40+601,6Коксовый газ—4906,4Кислород и азот газообразные—1505ПАВода пресная—25010Тяжелые нефтепродукты—4007,5Легкие нефтепродукты—2007,5Водяной пар—45010Воздух, нейтральные и инертные сухие газы—2507,5ПЭЩелочи с концентрацией до 400 г/л—1802,5Азотная кислота 10%-ная—1002,5Марка паронитаСредаЭх, °C$тах’ ^р, МПаПОНВода пресная—2506,4Водные растворы солей-151002,5Спирты—1501,6Тяжелые нефтепродукты—2006,4Легкие нефтепродукты—1502,5Спирты1501,6Аммиак жидкий-401502,5Жидкий кислород-182—0,25Пар водяной—4506,4Воздух-501001,0Сухие нейтральные и инертные газы—4506,4ПМБВода морская—504Рассолы-405010Легкие нефтепродукты—2002,5Тяжелые нефтепродукты—3002Минеральные масла—1502,5Аммиак жидкий и газообразный-401502,5Воздух-502001,6Сжиженные и газообразные углеводороды С] —С5-40+601,6Коксовый газ—4906,4Кислород и азот газообразные—1505ПАВода пресная—25010Тяжелые нефтепродукты—4007,5Легкие нефтепродукты—2007,5Водяной пар—45010Воздух, нейтральные и инертные сухие газы—2507,5ПЭЩелочи с концентрацией до 400 г/л—1802,5Азотная кислота 10%-ная—1002,5Таблица 3.14Таблица 3.14где Ад — коэффициент, учитывающий проникающую способность среды (для керосина, бензина и гелия /с, = 2; для воздуха и пара kv = 1,5; для остальных жидкостей к, = 1); к2ик5 — коэффициенты, зависящие от материала прокладки (для фторопласта, полиэтилена, эбонита, винипласта и текстолита к2 = 18 МПа; к3 = 0,9; для резины, пластиката к2 = = 4 МПа; к3 = 0,6).

Условия применения прокладок из паронита

Условия применения прокладок из паронита

Марка паронита

Среда

Эх, °C

$тах’ ^

р, МПа

ПОН

Вода пресная

—

250

6,4

Водные растворы солей

-15

100

2,5

Спирты

—

150

1,6

Тяжелые нефтепродукты

—

200

6,4

Легкие нефтепродукты

—

150

2,5

Спирты

150

1,6

Аммиак жидкий

-40

150

2,5

Жидкий кислород

-182

—

0,25

Пар водяной

—

450

6,4

Воздух

-50

100

1,0

Сухие нейтральные и инертные газы

—

450

6,4

ПМБ

Вода морская

—

50

4

Рассолы

-40

50

10

Легкие нефтепродукты

—

200

2,5

Тяжелые нефтепродукты

—

300

2

Минеральные масла

—

150

2,5

Аммиак жидкий и газообразный

-40

150

2,5

Воздух

-50

200

1,6

Сжиженные и газообразные углеводороды С] —С5

-40

+60

1,6

Коксовый газ

—

490

6,4

Кислород и азот газообразные

—

150

5

ПА

Вода пресная

—

250

10

Тяжелые нефтепродукты

—

400

7,5

Легкие нефтепродукты

—

200

7,5

Водяной пар

—

450

10

Воздух, нейтральные и инертные сухие газы

—

250

7,5

ПЭ

Щелочи с концентрацией до 400 г/л

—

180

2,5

Азотная кислота 10%-ная

—

100

2,5

Марка паронита

Среда

Эх, °C

$тах’ ^

р, МПа

ПОН

Вода пресная

—

250

6,4

Водные растворы солей

-15

100

2,5

Спирты

—

150

1,6

Тяжелые нефтепродукты

—

200

6,4

Легкие нефтепродукты

—

150

2,5

Спирты

150

1,6

Аммиак жидкий

-40

150

2,5

Жидкий кислород

-182

—

0,25

Пар водяной

—

450

6,4

Воздух

-50

100

1,0

Сухие нейтральные и инертные газы

—

450

6,4

ПМБ

Вода морская

—

50

4

Рассолы

-40

50

10

Легкие нефтепродукты

—

200

2,5

Тяжелые нефтепродукты

—

300

2

Минеральные масла

—

150

2,5

Аммиак жидкий и газообразный

-40

150

2,5

Воздух

-50

200

1,6

Сжиженные и газообразные углеводороды С] —С5

-40

+60

1,6

Коксовый газ

—

490

6,4

Кислород и азот газообразные

—

150

5

ПА

Вода пресная

—

250

10

Тяжелые нефтепродукты

—

400

7,5

Легкие нефтепродукты

—

200

7,5

Водяной пар

—

450

10

Воздух, нейтральные и инертные сухие газы

—

250

7,5

ПЭ

Щелочи с концентрацией до 400 г/л

—

180

2,5

Азотная кислота 10%-ная

—

100

2,5

Таблица 3.14

Таблица 3.14

Для прокладок из фторопласта-4 рекомендовано назначать рко = р + 5, МПа, для прокладок из поликапро

лактама, полиамида 68, фторопласта-3 — Рко = (2...4)р [78], для прокладок из паронита — в зависимости от толщины

Н [78]:

Н, мм . . . 0,4 0,6 0,8 1,0 1,5 2 3 рк0, МПа . 80 60 42 34 28 24 20

После проверки контактного давления с учетом изгибающего трубопровод момента М и силы давления pSa [см. уравнение (3.13)] может потребоваться увеличить значение рко- Для сохранения герметичности паронитовых и фторо-

пластовых прокладок в рабочих условиях следует назначать коэффициент запаса и = Рк/р = 2,5... 3 [79]. Влияние толщины Н и ширины I прокладки учитывают формулой рко = Ар/уН^ [78], где для прокладок из картона А = 3, из фибры А = 2... 4. Толщина прокладок Н из фторопласта-4 в зависимости от Оу трубопровода:

Dy мм . .До 80 80-130 130-250 Св. 250

Н, мм . . . 0,81,02,03,0

Предельное допустимое контактное давление рктах определяется предельным давлением рабочей среды ртах, МПа, которое может выдерживать прокладка:

резинотканевая20

паронитовая (см. также табл. 3.14) . .130

из асбестового картона130

фторопластовая(см.

табл.

3.15)

Пластмассовые прокладки применяют при невысоких температурах среды. Прокладку из полиэтилена используют при 9 =—60...+ 50 °C, из поливинилхлоридного пластиката, в химических производствах — при 9 = —15... +40 °C (см. подразд. 2.3).

Фторопласт-4 (см. подразд. 2.3, табл. 3.15) благодаря исключительной химической стойкости широко применяют в качестве прокладочного материала

Таблица 3.15

Предельно допустимые контактные давления для прокладок из фторопласта-4 [78]

Значения рКтах- МПа, для соединения

Температура, °C

открытого фланцевого

закрытого и типа шип—паз при радиальном зазоре, мм

0-0,1

0,2-0,3

0,5-0,7

-190

—

—

150

100

+ 20

40

54

—

—

+ 50

30

48

48

12

+ 100

18

20

20

6

+ 150

14

16

—

—

+ 200

10

12

—

—

+ 225

—

—

12

4

для различных агрессивных сред (за исключением расплавленных щелочных металлов и элементарного фтора). Фторопластовый уплотнительный материал (ФУМ), выпускаемый в виде шнуров различных профилей и сечений, применяют при 9 = —195... + 200 °C.

Асбест — минерал волокнистого строения, на основе которого изготовляют прокладочные материалы. При обработке асбест распадается на тончайшие прочные волокна, в соответствии с длиной которых маркируют его сорта. По химическому составу асбестовые минералы являются водными силикатами магния (хризотил-асбест), железа, кальция и натрия. Потеря кристаллизационной воды при высоких температурах приводит к разрушению структуры кристаллов асбеста. Хризотил- асбест полностью разрушается при 700 °C, при 550 °C —в течение года, до 400 °C свойства хризотил-асбеста сохраняются длительно. Хризотил-асбест является основным материалом для изготовления прокладочных материалов — паронита, армированного полотна, асбестового картона, феронита. Хризотил-асбест плохо противостоит воздействию сильных минеральных кислот, но может применяться в слабых кислотах и многих щелочных растворах.

Разновидности асбеста — крокидолит и антофилит используют для изготовления кислотоупорных прокладок.

Паронит — наиболее универсальный прокладочный материал, изготовляемый вулканизацией смеси асбеста, каучука и наполнителей (некоторые сорта не вулканизуются). Марки, условия применения и качество паронита регламентирует ГОСТ 481 — 80. Листы паронита выпускают толщиной 0,4; 0,5; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; 1,5; 2,0; 3,0; 3,5; 4,0; 5,0; 6,0; 7,0; 7,5 мм, марок: ПОН и ПОН-1 — паронит общего назначения; ПМБ и ПМБ-1 — паронит маслобензостойкий; ПА — паронит, армированный сеткой; ПЭ — паронит электролизерный; ПК — паронит кислотостойкий.

Кроме того, изготовляют ПС и ПСГ — парониты специальные.

Условия применения паронита (диапазон температур и допустимое давление) в различных средах указаны в табл. 3.14.

Кроме листовых прокладок из паронита изготовляют спирально-навитые прокладки СНП. Наибольшее допускаемое контактное давление для паронита 130 МПа. После затяжки соединения с прокладкой наблюдается значительная релаксация напряжений в материале. Для обеспечения герметичности в зависимости от толщины прокладки рко = 20.. .80 МПа, на фланцах рекомендуется выполнять две-три мелкие канавки треугольного сечения.

Армированное асбестовое полотно (ГОСТ 2198 — 66) — прорезиненная ткань, изготовленная на основе латунной проволоки и асбестовой ровницы, скрученной в нить с латунной проволокой. Из него изготовляют прокладки толщиной 0,6; 0,7; 1,1 мм, работающие в среде воды и нефтепродуктов (например, в двига- телестроении), при 9^ +150 °C и р ^ 6 МПа. При затяжке фланцев прокладки из этого материала дают усадку в зависимости от рк: 0,15...0,25 мм при рк = 10 МПа; 0,3...0,35 мм при рк = 40 МПа.

Фибра — материал, изготовляемый из специальной бумаги — основы, пропитанной концентрированным раствором обычно хлористого цинка. Механические свойства: модуль упругости при сжатии 5 — 8000 МПа, твердость НВ 10 — 30, теплостойкость по Мартенсу 60 —70 °C. Фибра не растворяется в керосине, бензине, спирте, ацетоне, но разрушается под действием серной, азотной и соляной кислот. Основной недостаток фибры — высокая гигроскопичность, для снижения которой фибру пропитывают маслом, парафином и смолами. Для прокладок применяют листовую фибру марок ФТ, ФСВ, ФКДГ по ГОСТ 14613 — 83. Для прокладок, работающих в среде кислорода, применяют прокладочную кислородостойкую

фибру ФПК. Для работы в воде, масле и керосине применяют мягкую кожеподобную фибру ФГК толщиной 0,5 —2,5 мм, получаемую пропиткой фибры касторовым маслом и глицерином.

Бумага кабельная (ГОСТ 645 — 79) и полуватман являются наиболее дешевыми и доступными прокладочными материалами. Их применяют для уплотнения пыле- и брызгозащищенных соединений. Прокладки из специально обработанной бумаги с латексной пропиткой и полуватмана на герметике применяют в среде масел, бензина и воды (при низком давлении).

Картон прокладочный согласно ГОСТ 9347 — 74 выпускают двух марок: А — пропитанный проклеивающими веществами, бензостойкий; Б — непропитанный, стойкий к нефтепродуктам. Прокладки для топливных и масляных систем авиационных двигателей изготовляют из картона, пропитанного желатиногли- цериновыми смесями и касторовым маслом.

Прокладки нз металлических материалов. При высоких значениях давления р и температуры 9 среды в широком диапазоне А9 применяют металлические прокладки: плоские, рифленые, (в частности, гребенчатые), линзовые, а также трубчатые и рессорные кольца.

Выбор материала зависит от условий совместимости и параметров среды [78, 18]:

нефтепродукты, масла, нефть, насыщенный и перегретый пар (9 < +45 °C; р < 6 МПа) — углеродистые стали Ст2, СтЗ; питательная вода (9 ^ 200°C; р < 10 МПа) — Сталь 20;

вода дистиллированная, конденсат, пар (9 < 400 °C), воздух, керосин, масла — коррозионно-стойкие стали; масла, воздух, конденсат и пар (9 < 250 °C) — латуни;

морская вода — бронзы, никель, монель-металл;

агрессивные среды — материалы, см. ниже.

Размеры плоских прокладок обычно

определяются размерами стандартных фланцев (ГОСТ 12815-80... ГОСТ 12822 — 80). Усилие затяжки болтов выбирают наибольшим из результатов двух расчетов: 1) расчет рк с учетом монтажных деформаций трубопроводов при р = 0; 2) расчет рк при действии давления среды р [см. уравнение (3.13)]. Начальное контактное давление рко выбирают на основании ГОСТ 19749 — 84 или эмпирического уравнения [78]

рк0 = (1 + 0,32//Н)от, (3.18)

где I = 0,5 (Di — D2); Di, D2 — наружный и внутренний диаметры прокладки; Н — высота прокладки; ат — предел текучести материала.

Ориентировочно рк0 = (2,3... 4,0) ат.

Гребенчатые прокладки (см. рис. 3.25, б) контактируют с фланцами треугольными кольцевыми выступами — гребешками, расположенными с шагом Г = 1,5 мм и имеющими на вершинах площадки шириной 0,15...0,23 мм. Необходимое контактное давление создается при удельном усилии обжатия РА = Рл/(лРср) в 2-2,5 раз меньше, чем в плоских прокладках. Гребенчатые прокладки, изготовляемые из алюминия, меди, железа, низкоуглеродистых и высоколегированных сталей, применяют при ру < 14 МПа и 9 < 570°C [17]. В судостроении применяют прокладки размером Dy х х Di х D2, мм [78]:

20 х 52 х 22; 25 х 59 х 27; 32 х 71 х 32; 40 х 84 х 43;50 х 95 х 53; 60 х 109 х 63; 70 х 124 х 73;80 х 138 х 84; 100 х 142 х х 104; 125 х 172 х 129; 150 х 204 х 154; 175 х 232 х 179; 200 х 260 х 204; 225 х х 290 х 229 ; 250 х 320 х 254.

Толщина прокладок 2 — 4 мм. Фланцы должны быть тщательно обработаны. Усилие затяжки болтов РА определяют по условному давлению р^. = РА/1, где I = 0,5 (D'i - D2): '

Рд = itDcpP А ^DCplpKy, рку ир/|//.

Здесь и — эмпирический коэффициент [17]: для легированных сталей и = = 4,2 при рк.у ^ 30 МПа; для железа и

углеродистой стали и = 3,8 при рк^ > ^ 24 МПа; для меди и = 3,5 при Рк.у 5= 17 МПа; для алюминия и = 2,8 при рк.у ^ 14 МПа.

При расчете по контактным напряжениям [17] назначают р,» = 4ат (значения ат см. табл. 3.13) и соответственно выбирают число гребней. Увеличение давления рк0, необходимое для обеспечения герметичности [см. уравнение (3.13)] при высоких р, может вызвать расплющивание гребешков, что и ограничивает возможные давления среды р. При высоких температурах необходимо учитывать снижение ат материала.

Линзовые прокладки (см. рис. 3.25, й) — стальные прокладки со сферическими поверхностями (радиусом R см), контактирующие с коническими поверхностями фланцев с углом конуса около 70°, используют для герметизации соединений при высоких давлениях (до 100 МПа) и температурах (до 900 °C). Их изготовляют из низкоуглеродистых и легированных сталей. Контактирующие поверхности линз и фланцев должны быть обработаны до шероховатости с Ra = 0,32 мкм (Ктах = 2 мкм). Рекомендуется электролитическое покрытие линз цинком (10—20 мкм). Ориентировочно удельное линейное контактное усилие для Dy = 6... 45 мм составляет РА = 3000 Н/см, для Dy = = 45...200 мм Рл < 5000 Н/см [18]. Под действием давления среды линзовая прокладка деформируется, расклинивая стык, при этом незначительно увеличивается рк и герметичность. Эффект самоуплотнения повышается с увеличением Dy и р. Усилия РА для уплотнений в газовых средах рассчитывают по эмпирической формуле РА = КуR , где К = 300 для водорода и гелия; К = 200 для остальных газов. При высоком давлении среды р нагрузка на болты увеличивается (Р6 = = РДО + $ар) и они удлиняются, поэтому необходимо увеличивать начальное усилие обжатия.

Для стальных деталей рекомендованы эмпирические соотношения [18] (см. рис. 3.25, а):

j>, МПа . 0,6 10 32 70 РА, Н/см . 760Д, 920Р„ 1400Д, 2400£>„

Они получены из формулы

Р = ДР^пйпСР + р) А к cos р • sin Р где а, b — эмпирические коэффициенты; р « 8°ЗО' — угол трения; р — угол конуса; Dn — см. рис. 3.25, а.

Спирально-наИитыепрокладки

(рис. 3.30) представляют собою спирально навитую в кольцо комбинированную ленту, состоящую из фасонного металлического каркаса (ленты толщиной около 0,2 мм) и неметаллического наполнителя (ленты из парони- та или асбестовой бумаги). Крайние витки металлической ленты сваривают между собою. Преимущество этих прокладок — большая упругость, позволяющая им работать в условиях динамических нагрузок, высоких температур и тепловых ударов. Их устанавливают в открытых фланцах с помощью металлических ограничительных колец (рис. 3.30, а) или в закрытых соединениях типа шип — паз. Выпускают [69] прокладки трех типов: I — для эксплуатации в неагрессивных средах (вода, пар) при 0 <450 °C и р < 25 МПа;

Рис. 3.30. Схема установки (с) и размеры (6) уплотнения со спирально-навитой прокладкой:

1 — прокладка; 2 — болт; 3, 5 — опорные кольца; 4 — фланец

II — для эксплуатации в среде кислот, щелочей, окислителей и других агрессивных средах при 8 < 250 °C и р < < 1,6 МПа; III — для эксплуатации в среде пара, сухих газов и других неагрессивных средах при 8 < 600 °C и р < 25 МПа. Толщина прокладок Н = 5 и 3,2 мм, ширина 1 = 5...42 мм. Внутренний диаметр D2 = 20... 1600 мм.

Спирально-навитые прокладки применяют преимущественно в энергетическом и химическом машиностроении. В судостроении [78] применяют прокладки двух типов: ПСПВ-I (табл. 3.16) для пара (р < 6,6 МПа; 8 <450 °C) и питательной воды (р = 8 МПа, 8 = 105 °C); ПСПВ-И для пара (р = 6;6 МПа; 8 = 475 °C). Прокладки ПСПВ-I изготовляют из стальной (12Х18Н1ОТ) ленты толщиной 0,25 мм и асбестовой бумаги марки АРБ-3. В комплект входят ограничительные кольца из стали 20 и 12Х18Н10Т. Критическое контактное давление для спирально-навитых прокладок оценивают по эмпирической формуле [78] рк0 = 40//, где I = 0,5 (Dt - П2) - ширина прокладки (для Од = 50... 100 мм / = 0,6...0,8 см; для Dy = 100...250 мм

Таблица 3.16

Размеры, мм, спирально-навитых прокладок типа ПСПВ-1 (см. рис. 3.30): наружный DH, внутренний DB диаметры ограничительных колец; Dt — наружный, D2 — внутренний диаметры прокладки; Н = 5 мм — высота прокладки; h = 3 мм — высота внутреннего ограничительного кольца

оу

D„

в»

ВХ

»2

20

41

21

35

26

25

47

26

41

32

32

54

33

39

28

40

63

42

58

47

50

75

53

68

58

70

98

74

91

59

80

109

83

102

88

100

137

105

127

111

125

165

131

155

136

150

195

155

184

167

200

251

205

236

213

250

312

255

291

265

300

370

306

346

316

Рис. 3.31. Уплотнения трубчатыми кольцами: а горновое в плоском фланце; б — радиальное

1 = 0,9... 1,5 см). Относительная деформация прокладки при монтаже определяется высотой h ограничительного кольца (е = 0,25). Шероховатость фланцев допускается не ниже Rz = 20 мкм.

Трубчатые кольца (рис. 3.31) представляют собою полые тороиды, сваренные встык из трубок. Материалы трубок: коррозионно-стойкая сталь, инконель, инкопель-Х, алюминий, монель- металл, медь. Наиболее распространены стальные кольца, покрытые снаружи мягким химически стойким (в зависимости от рабочей среды) материалом. В качестве покрытия применяют [78] фторопласт-4 (для коррозионно-агрессивных сред при 9 = — 40... + 60 °C), серебро и медь (для жидких натрия и калия). Инконель покрывают серебром, золотом, платиной (9 = — 40... + 400 °C), тугоплавкие металлы — серебром, золотом и платиной (9 = —30... +600°C). Трубчатые кольца изготовляют трех конструктивных видов: I — тороид, заполненный воздухом (р = 7...28 МПа); II - тороид, заполненный инертным газом (р = = 40 МПа); III — тороид, имеющий отверстия, сообщающие внутренюю полость с рабочей средой (см. рис. 3.31, а). Наиболее распространены уплотнения с кольцами третьего вида. При монтаже кольца устанавливают в канавку высотой Н, обеспечивающую относительную деформацию е = (d — H^/d = 0,20 (кольца больших размеров) или е = 0,35 (кольца малых размеров). Шероховатость контак

тирующих с кольцом поверхностей должна быть не ниже Ra = 0,63 мкм, дефекты на уплотняемой поверхности не допускаются.

По механизму герметизации трубчатые кольца относят к активным уплотнениям. Начальное контактное давление Рко создается упругой деформацией кольца при монтаже на величину Ad=ed (d — диаметр трубки), его рассчитывают методами теории тонкостенных оболочек по толщине стенки 8, nd и модулю материала. При действии давления среды р контактное давление р* увеличивается в соответствии с уравнением (3.10), в котором s определяется размерами кольца и свойствами материала. Минимально необходимое контактное давление зависит от твердости покрытия кольца [см. уравнение (3.3)]. Минимальные контактные усилия, необходимые для обеспечения герметичности для колец (d = 2,38; 8 = 0,18...0,46 мм) составляют: для коррозионно-стойкой стали Рло = 36... 198 Н/см; для инконеля ^0 = 27... 180 Н/см; для алюминия Рле = 36...63 Н/см [78]. В судостроении применяют кольца с наружным диаметром трубки d = 0,79; 1,59; 2,38; 3,18; 3,97; 4,76; 6,35; 7,94; 7,98; 12,7 мм [78].

Металлические прокладки (см. табл. 3.3 и 3.13; рис. 3.23-3.25).

Алюминий марок АО, АД1, АДО по ГОСТ 21631—76. Прокладки из алюминия марок АО, АД1 применяют в арматуре для нефтепродуктов, азотной и фосфорной кислот, сернистых газов, сухого хлора. Алюминий АДО применяют в прокладках для резьбовых соединений. Температурный предел работы алюминиевых прокладок от —253 до +150 °C. При дальнейшем повышении температуры прочность резко снижается (при 200 °C в 1,5 раза).

Латунь благодаря пластичности и хорошей коррозионной стойкости применяют для кольцевых прокладок в среде воды при 9 = 225... 250 °C (марка Л62,

мягкая, отожженная) и арматуры, работающей при низких температурах.

Никель и его сплавы хорошо противостоят действию коррозионных сред и, в частности, морской воды. Никель сохраняет пластичность в широком интервале температур (— 271... + 650 °C). Никель марок НП1, НВК ГОСТ 6235 - 73 применяют для прокладок, эксплуатируемых в среде водяного пара, хлора, щелочей, нейтральных соляных растворов, разбавленного аммиака и в других средах при 9 = —20... +400°C. Из сплавов никеля наиболее распространен мо- нель-металл НМЖМц 28 — 2,5 — 1,5, прокладки из которого эксплуатируют в морской воде, коррозионных средах, водяном паре при 9 < 800 °C.

Свинец С2 (ГОСТ 9559 — 75) стоек к воздействию агрессивных сред ■ за счет защитной пленки, образующейся на его поверхности. Свинцовые прокладки применяют в среде серной кислоты и ее солей при 9 < 100 °C. Допустимый температурный диапазон — 200... +100 °C.

Медь Ml, М2, М3 (ГОСТ 495-77) широко используют для прокладок, эксплуатируемых * в криогенных и нейтральных средах. Диапазон температур эксплуатации — 253... + 250 °C (для М1 до 400 °C). Перед установкой в соединения прокладки подвергают отжигу при 873-923 °C.

Сталь низкоуглеродистую 05 кп (ГОСТ 1050 — 74) применяют для прокладок, эксплуатируемых в среде водяного пара до 9 <475 °C; безводных щелочей и кислот, содержащих серу газов при 9 = —70...+320 °C; не применяют в среде водных растворов кислот и щелочей.

Сталь низкоуглеродистую 0,5 и 0,8 (ГОСТ 1050 - 74) и Ст2, СтЗ (ГОСТ 380 — 71) применяют для прокладок, эксплуатируемых в среде водяного пара, нефтепродуктов при 9 =—40... ...+550°С. '

Сталь коррозионно - стойкую 12Х18Н10Т, 08Х18Н10Т (ГОСТ 5632-72) применяют для прокладок, эксплуатируемых в среде водяного пара, нефтепродуктов, коррозионных сред (кроме

серной кислоты) при 9 от —253... ...+600°С. ’

Основное преимущество стальных прокладок — близость температурных коэффициентов линейного расширения прокладки, болтов, фланцев, недостаток — необходимость больших контактных давлений.

Уплотнения резьбовых соединений трубопроводов

В соединениях трубопроводов высокого давления, эксплуатируемых в широком диапазоне температур и подвергающихся вибрационным и ударным воздействиям, применяют преимущественно механические уплотнения с контактной парой металл — металл. Их основные преимущества — независимость контактного давления от температуры в диапазоне —40...+150°C и отсутствие термохимического старения материала уплотнителя.

В зарубежных гидросистемах (например, компании «Аэроквип корпорейшен», США) применяют уплотнение О-образ- ным кольцом при очень точном исполнении посадочных мест (рис. 3.32, а). Правила конструирования таких уплотнений рассмотрены в подразд. 3.4 и 3.5.

Рис. 3.32. Уплотнения соединений трубопроводов :

а — эластомерным О-образным кольцом; б — плоской прокладкой (/ и 4 — детали трубопровода;

2 — О-образное кольцо; 2' — прокладка; 3 — накидная гайка)

Рис. 3.33. Уплотнения резьбовых соединений трубопроводов:

1 — труба; 2 — ниппель; 3 — накидная гайка; 4 — деталь арматуры; 5 — коническая прокладка

В штуцерно-торцовых уплотнениях (рис. 3.32,6) уплотнителем служит плоская прокладка. Детали соединений (четырех типов) регламентированы ГОСТ 5890 — 78. В судостроении их применяют при р^ до 10, 16, 20 МПа [78]. Уплотнения этого типа применяют также в манометрах. Наиболее распространены конструкции уплотнений резьбовых соединений трубопроводов с линейным контактом по уплотняемым поверхностям: с шаровым ниппелем на сварке (рис. 3.33, а) и пайке (рис. 3.33,6); с шаровым ниппелем и коническим колпачком — прокладкой (рис. 3.33, в); с врезающимся кольцом (см. рис. 3.35).

Для труб из мягких металлов применяют соединения с развальцовкой трубы (рис. 3.33, г), в которых область контакта распространяется по всей конусной поверхности. Эти соединения эксплуатируют при средних давлениях рабочей среды (до 20 МПа). Для труб из полимерных материалов при низком давлении рабочей среды (до 1,5 — 2,0 МПа) применяют уплотнения, показанные на рис. 3.37. Во всех рассмотренных уплотнениях контактное давление создается в результате затяжки резьбы накидной гайкой, являющейся силовым элементом уплотнения. Соеди

нения трубопроводов уплотняют также резиновыми, фибровыми и металлическими прокладками.

Ориентировочный расчет уплотнений с линейным контактом (рис. 3.34) основан на определении рк по формулам Герца для контакта цилиндрических тел с радиусами Rx и R2, в частности с К2 = со (контакт с плоскостью). Максимальное давление рктах для пары металл — металл (pt = pl ~ 0,3)

Рктах = 0.042 ^РлЕпр/Рар, (3.19) где РА — удельное осевое усилие, Н/см; £пГ = 2Е1Е2/(Ег + £2) — приведенный модуль упругости, МПа; Рпр^КГ1 + + К2 1 — приведенный радиус кривизны, см.

Контакт кольцевого тора с плоскостью рассматривают как контакт бесконечно длинного цилиндра с плоскостью. При ЭТОМ рктах = 0,042 Y^aE^Ri и ширина контакта

/ = 0,152 рТдКг/Епр. (3.20)

Аналогичен контакт сферического ниппеля (Kj) с конусом, угол которого 2р:

Рктах = 0,0421 ЛРлЕпр/Е 1 sin р.

Рис. 3.34. Характер распределения давления рк в соединениях с линейным контактом: a — сфера—сфера; б — тор-плоскость; в — сфера- конус

Для стандартного соединения 20 = 24°. Удельное осевое усилие Ра от затяжки накидной гайки с диаметром резьбы D, см, приближенно определяют по формуле

РА = M«KD\ (3.21)

где М — момент затяжки гайки, Н ем; К — эмпирический коэффициент, учитывающий трение в резьбе при затяжке (при хорошо обработанной и смазанной резьбе К = 0,07; при грубо обработанной и смазанной резьбе К = = 0,12; при грубо обработанной несмазанной резьбе К = 0,17). Необходимый момент затяжки получают с помощью специальных ключей. При использовании обычных гаечных ключей длиной U М х Рри где Рр х х 100... 150 Н — усилие руки человека.

Расчет врезающегося кольца сводится к определению радиальной деформации его оболочки под действием усилия затяжки РА и деформации зоны контакта. Минимальное контактное давление для обеспечения герметичности соединения рк min = 200... 300 МПа (сталь — сталь). Расчеты уплотнений типа металл — металл с линейным контактом требуют тщательной экспериментальной проверки, поскольку состояние контакта зависит от вибрации трубопроводов, температурных деформаций, возможных коррозионных повреждений. Температурные коэффициенты линейного расширения материалов гайки, штуцера и ниппеля для уплотнений, работающих в широком температурном диапазоне, должны быть одинаковыми. Это требование особенно относится к конструкциям, в которых применены коррозионно-стойкие стали, титановые, алюминиевые и медные сплавы.

Уплотнение соединений труб врезающимся кольцом применяют для резьбовых соединений трубопроводов (штуцерных, тройниковых и т. д.) высокого давления, работающих в широком диапазоне температур. Уплотнение (рис. 3.35, а) для герметизации трубы 1 включает уплотнитель — врезающееся кольцо 2,

Рис. 3.35. Уплотнения соединений трубопроводов с врезающимся кольцом:

а —для осевого монтажа; б — для радиального монтажа; в — с несколькими режущими кромками; (/ — труба; 2 — врезающееся кольцо; 3 — накидная гайка: 4 — деталь арматуры (штуцер); 5 — прокладка; б — нажимное кольцо)

силовой элемент — накидную гайку 3, герметизируемую арматуру 4 с конической поверхностью (штуцер, тройник и т. д.). Герметичность обеспечивается большим контактным давлением рк по уплотняемым поверхностям А и В, создаваемым при затяжке гайки. Монтаж соединения выполняют в два этапа. При предварительном обжатии поверхность А кольца должна достаточно глубоко врезаться в трубу, образовывая канавку (закромку). При этом в результате пластических деформаций поверхности трубы компенсируются шероховатость и погрешности формы. После осмотра канавки выполняют окончательную затяжку соединения, обеспечивая рк = 200... 300 МПа.

ГОСТ 24072 - 80...ГОСТ 24091-80 на различные виды соединений предусматривают эксплуатацию этих уплотнений в неагрессивных средах при 9 = -4О...+12О°С и р = 10...63 МПа.

Технические условия на соединения с врезающимся кольцом устанавливает ГОСТ 15763 — 75. Врезающиеся кольца (см. рис. 3.35) изготовляют из закаленных до HRC 32...35 сталей 40Х, А40Г, АС35Г2 или цианированной на

Группа I

Группа 11

Группа III

Ру

At

5

Ру

В»

5

Ру

At

5

10

4

5

6

8

0,45

0,70

0,70

0,70

-

—

—

63

40

6

8

10

12

14

16

20

25

30

38

0.85

0,85 0,85 1.00

1,00

1,00 1,30

1,30 1,35 1,35

32

16

6

8

10

12

16

18

22

28

34

42

0,85

0,85

0,85

1,00 1,00

1,00 1,00 1.00

1,35

1,35

Таблица 3. 17

2,5

3

8

15

20

25

30

32

40

10

12

4

5

6

ду

Размеры колец, мм, в зависимости от условного давления pv МПа, и условного прохода 7Х

глубину 0,05 — 0,08 мм и закаленной до твердости HV 380...412 стали 12ХНЗА. Размеры врезающегося кольца выполняют по ГОСТ 23354-78 (СТ СЭВ 2635 — 80). Режущая кромка кольца имеет поднутрение с углом конуса 6...7°; головка кольца, обращенная к накидной гайке, выполнена с углом конуса 90°; внутренний диаметр кольца равен DH — (0,1... 0,3) мм.

В соединениях используют стальные (сталь 20) холоднотянутые трубы повышенной точности по ГОСТ 9567 — 75. Допускается применять грубы по другим стандартам с обязательной калибровкой концов труб. По значению условного давления ру соединения подразделяют на группы I, II и III — соответственно низкого, среднего и высокого давления (табл. 3.17 и рис. 3.35,6).

Существуют различные типы соединений трубопроводов с врезающимся кольцом: проходные штуцерные (ГОСТ 24072 — 80), переходные штуцерные (ГОСТ 24073 — 80), концевые штуцерные (ГОСТ 24074 — 80), угловые проходные

(ГОСТ 24075 - 80 и ГОСТ 24078 - 80), угловые концевые (ГОСТ 24076—80 и ГОСТ 24077 - 80), тройниковые (ГОСТ 24079 - 80... ГОСТ 24086 - 80), крестовые (ГОСТ 24087-80... ГОСТ 24089 - 80), переборочные (ГОСТ 24090— 80), заглушки (ГОСТ 24091 — 80). В некоторых соединениях кроме врезающегося кольца применяют прокладки по ГОСТ 23358-78.

В зарубежном гидромашиностроении применяют врезающиеся кольца с несколькими режущими кромками (рис. 3.35, в).

Если при монтаже соединений трубопроводов перемещение трубы ограниченно, применяют штуцеры для радиального монтажа по ГОСТ 22525 — 77 (рис. 3.35,6) с нажимным кольцом 6 по ГОСТ 23356—78 и прокладкой по ГОСТ 23357 — 78. Материал прокладок (алюминий, медь, паронит) выбирают в зависимости от условий работы соединения.

Прокладки для уплотнений резьбовых соединений трубопроводов (рис. 3.36) герметизируют соединения (см. рис. 3.32,6) за счет затяжки установочной гайки. Внутренний диаметр d прокладки (см. рис. 3.36,6) соответствует размеру резьбы, наружный D — внутреннему диаметру накидной гайки по ГОСТ 23353 — 78, толщина h определяется материалом прокладки. Прокладки изготовляют из металла, фибры, картона и паронита для уплотнения штуцеров (исполнение 1), а также из

Рис. 3.36. Прокладки для уплотнений резьбовых соединений трубопроводов;

а — пример конструкции; б — размеры прокладки (1 — штуцер; 2 — прокладка исполнения 1; 3 — установочная гайка; 4 — прокладка исполнения 2)

РезьбаDПредельное отклонениеhметрическаятрубнаяН12+0,1hl2-0,1Исполнение121212М8х 188,1121,0г, 5MlOxl1/8"1010,114М12х1,5—1212,118173—1/4"1413,118М14х1,5 М16х1,5М18х 1,5 М20х 1,53/8"141617182014,116,117,118,120,1202223242619212223251,54—1/2"2121,126М22х1,5. —2222,127М24х1,5—24—30—-М27х23/4"2727,1325М30х2—30—36—2,0-М33х21"343333,133,1395М36х2—36—42——М42х21 1/4"4242,1495М45х2—45—52——М48х21 1/2"4848,1555М52х2—52—64—2,5—РезьбаDПредельное отклонениеhметрическаятрубнаяН12+0,1hl2-0,1Исполнение121212М8х 188,1121,0г, 5MlOxl1/8"1010,114М12х1,5—1212,118173—1/4"1413,118М14х1,5 М16х1,5М18х 1,5 М20х 1,53/8"141617182014,116,117,118,120,1202223242619212223251,54—1/2"2121,126М22х1,5. —2222,127М24х1,5—24—30—-М27х23/4"2727,1325М30х2—30—36—2,0-М33х21"343333,133,1395М36х2—36—42——М42х21 1/4"4242,1495М45х2—45—52——М48х21 1/2"4848,1555М52х2—52—64—2,5—Таблица 3.18Таблица 3.18Размеры прокладок, мм, для резьбовых соединений трубопроводов (рис. 3.36,6)Размеры прокладок, мм, для резьбовых соединений трубопроводов (рис. 3.36,6)резины (по ГОСТ 7338 — 77) для уплотнения установочных гаек (исполнение 2). Размеры прокладок указаны в табл. 3.18. Материалы для изготовления прокладок исполнения 1: алюминий марок АО,

Резьба

D

Предельное отклонение

h

метрическая

трубная

Н12

+0,1

hl2

-0,1

Исполнение

1

2

1

2

1

2

М8х 1

8

8,1

12

1,0

г, 5

MlOxl

1/8"

10

10,1

14

М12х1,5

—

12

12,1

18

17

3

—

1/4"

14

13,1

18

М14х1,5 М16х1,5

М18х 1,5 М20х 1,5

3/8"

14

16

17

18

20

14,1

16,1

17,1

18,1

20,1

20

22

23

24

26

19

21

22

23

25

1,5

4

—

1/2"

21

21,1

26

М22х1,5

. —

22

22,1

27

М24х1,5

—

24

—

30

—

-

М27х2

3/4"

27

27,1

32

5

М30х2

—

30

—

36

—

2,0

-

М33х2

1"

34

33

33,1

33,1

39

5

М36х2

—

36

—

42

—

—

М42х2

1 1/4"

42

42,1

49

5

М45х2

—

45

—

52

—

—

М48х2

1 1/2"

48

48,1

55

5

М52х2

—

52

—

64

—

2,5

—

Резьба

D

Предельное отклонение

h

метрическая

трубная

Н12

+0,1

hl2

-0,1

Исполнение

1

2

1

2

1

2

М8х 1

8

8,1

12

1,0

г, 5

MlOxl

1/8"

10

10,1

14

М12х1,5

—

12

12,1

18

17

3

—

1/4"

14

13,1

18

М14х1,5 М16х1,5

М18х 1,5 М20х 1,5

3/8"

14

16

17

18

20

14,1

16,1

17,1

18,1

20,1

20

22

23

24

26

19

21

22

23

25

1,5

4

—

1/2"

21

21,1

26

М22х1,5

. —

22

22,1

27

М24х1,5

—

24

—

30

—

-

М27х2

3/4"

27

27,1

32

5

М30х2

—

30

—

36

—

2,0

-

М33х2

1"

34

33

33,1

33,1

39

5

М36х2

—

36

—

42

—

—

М42х2

1 1/4"

42

42,1

49

5

М45х2

—

45

—

52

—

—

М48х2

1 1/2"

48

48,1

55

5

М52х2

—

52

—

64

—

2,5

—

Таблица 3.18

Таблица 3.18

Размеры прокладок, мм, для резьбовых соединений трубопроводов (рис. 3.36,6)

Размеры прокладок, мм, для резьбовых соединений трубопроводов (рис. 3.36,6)

АДО по ГОСТ 21631 — 76; медь марок Ml, М3 по ГОСТ 495 — 77; паронит по ГОСТ 481 — 80; прокладочный картон марок А, Б по ГОСТ 9347 — 74; фибра марок ФТ, ФСБ по ГОСТ 14613-83.

Рис. 3.37. Уплотнения соединений арматуры с пластмассовыми трубами:

/ — труба; 2 — кольцо 3 — втулка-уплотнитель; 3' — врезающееся кольцо; 4 — упрочняющая втулка; 5 — деталь арматуры; 6 — накидная гайка

Прокладки из алюминия и меди должны быть отожжены. Пример условного обозначения прокладки для резьбы М20 х 1,5 из алюминия: Прокладка Ал20 ГОСТ 23358-78.

Уплотнение соединений арматуры с пластмассовыми трубами (рис. 3.37, а) состоит из стандартных деталей арматуры 5, накидной гайки б. В трубу 1 вставляют упрочняющую втулку 4 (ГОСТ 23359 — 78); снаружи трубу обжимают стопорным резиновым кольцом 2 (ГОСТ 9833 — 73) и герметизируют пластмассовой втулкой 3. На рис. 3.37,6 показана зарубежная конструкция такого уплотнения, отличающаяся наличием кольпа 3', врезающегося в трубу при завинчивании гайки 6.

Резинометаллические уплотнения

В резинометаллических уплотнениях оптимально используются свойства материалов — высокая герметизирующая способность эластомеров и сохранение упругости металлов в широком диапазоне температур 9 в течение длительного срока I. Выполняя функции активного уплотнения, резинометаллические прокладки имеют повышенные надежность и ресурс благодаря дублированию элементов.

Резинометаллические кольцевые прокладки (рис. 3.38) представляют собой металлическое кольцо 2, к которому прочно привулканизовано резиновое кольцо 3 с двумя уплотняющими губками. Металлическое кольцо воспринимает большие усилия затяжки резьбы, необходимые в соединении 1—4 для передачи силовых нагрузок и изгибающего момента трубопровода. Губки резинового кольца, способного к самоуплотнению при действии давления среды, обеспечивают высокую герметичность при довольно грубой обработке уплотняемых поверхностей (Ra = = 2,5 мкм) и вибрации. При длительной эксплуатации в условиях низких температур, когда резина теряет высокоэластические свойства, металлическое кольцо функционирует как обычная прокладка.

Рис. 3.38. Резинометаллическая кольцевая прокладкаРис. 3.38. Резинометаллическая кольцевая прокладка

Рис. 3.38. Резинометаллическая кольцевая прокладка

Рис. 3.38. Резинометаллическая кольцевая прокладка

Резинометаллические плоские фигурные прокладки применяют для герметизации торцовых разъемов корпусных деталей гидромодулей с многочисленными выходящими на торец каналами (рис. 3.39). К металлической пластине прочно при- вулканизован тонкий слой эластомера шириной / » 2 мм, который охватывает

Рис. 3.39. Резинометаллическая фланцевая прокладка:

I — металлическая пластина; 2 — привулканизован- ный слой резины

все герметизируемые полости. Вследствие малой высоты слоя эластомера (Н а 0,2 мм) и большой прочности сцепления его с металлом эти прокладки могут работать при давлении среды до 40 МПа. Анализ уравнений (3.9) и (3.15) показывает, что уменьшение Н, увеличение Кф и / способствует повышению рко и критического (по прочности прокладки) давления ркр в 5 —10 раз. Деформация прокладки е = 0,25... 0,35, при этом рко~ЗО...5О МПа.

Резинометаллические уплотнения торцовые (РУТ) с тарельчатыми пружинами. Герметизация торцовых разъемов корпусов из легких алюминиевых сплавов, в которых расположена система каналов с рабочей средой высокого давления р, представляет собою особо трудную задачу при эксплуатации изделия в широком температурном диапазоне и при динамическом характере р. В этом случае при низкой температуре вследствие разности температурных деформаций деталей из алюминиевых сплавов (а а 23-10“6 °C-1), стали (а « а 12 10-боС-1), резины (а « 15 х х 10”5 °C-1), деформации фланцев, ослабления затяжки резьбовых втулок- футорок, резкого увеличения времени релаксации резины наблюдается раскрытие стыков в момент пиковых значений р. Обычные уплотнения эластомерными кольцами и прокладками теряют при этом герметичность. РУТ полностью работоспособны при подобных условиях эксплуатации в широком температурном диапазоне.

РУТ представляют собою тонкостенную резиновую оболочку 3 (рис. 3.40), внутри которой установлены стальные тарельчатые пружины 3 с шайбой 5, а снаружи — защитное стальное кольцо 2 Г-образного профиля [25]. Уплотняющим элементом конструктивной схемы является эластомерная оболочка, силовым — тарельчатые пружины. Шайба 5 служит для облегчения подбора пружин с обеспечением удельной нагрузки в месте контакта Ра = 150 Н/см и для ограничения деформации пружин.

Рис. 3.40. Уплотнение РУТ:

Л 6 — герметизуемые фланцы; 2 — защитное кольцо; 3 — резиновое кольцо; 4 — тарельчатые пружины; 5 — шайба

Защитное кольцо предотвращает выдавливание резиновой оболочки при динамическом раскрытии стыка соединения до 0,1 мм.

РУТ, разработанные для Dy = = 4... 100 мм, изготовляют по чертежам С— 737 — 81 [25]. Габариты РУТ, мм:

Dy 5-1011-1819 - 23 24 - 49 50 - 70 71-100 В56677,57,5

И3,63,64,54,55,06,0

В среде масел типа МГЕ (см. подразд. 2.5) РУТ работоспособны в температурном диапазоне 9= — 60...+ 130 °C при давлении р < 63 МПа. В других средах пределы 9 определяются свойствами резины, выбираемой из условий совместимости. Ресурс работы РУТ порядка 106 циклов пульсаций р от 0 до 32 МПа в течение срока службы до 13,5 лет. Требования к посадочным местам уплотнения: допустимая не- плоскостность фланцев — 0,05 мм; шероховатость поверхности контакта — Ra < 2,5 мкм; допуск на высоту расточки под РУТ по квалитету 12(Н12), допустимая циклическая деформация фланцев при работе — 0,1 мм. По герметизирующей способности РУТ аналогичны уплотнениям эластомерными кольцами в нормальных условиях эксплуатации — класс негерметичности не хуже 1 — 2 в обычных и 2 — 1 в тяжелых режимах эксплуатации (соответственно б^5-10“3 и Q ^ 10“2 мм3/(м-с) для масел).

Разделительные диафрагмовые уплотнения

Диафрагмовые уплотнения (см. рис. 1.5, в) предназначены для разделения сред Р и А и обеспечения перемещения х границы раздела при минимальном перепаде давлений Др между ними. Они преобразуют либо воздействие Др в перемещение х диафрагмы (конструкции прямого действия), либо перемещение рабочего органа х в перепад давлений kp = р — р0. Соответственно диафрагмы могут быть компенсационными или насосными. Области применения разделительных уплотнений весьма разнообразны: мембранные насосы, газогидравлические аккумуляторы, приборы, вентили, гидробаки и т. д.

Диафрагмовые уплотнения в зависимости от материала и конструктивно-технологических характеристик подразделяют на мембраны (резиновые, резинотканевые), сильфоны (см. подразд. 9, 10), баллоны газогидравлических аккумуляторов, чехлы гидробаков, чехлы пылегрязезащитные для

Рис. 3.41. Резиновые диафрагмовые уплотнения:

а — мембрана-манжета, перекатывающаяся в резервуаре при перемещении х штока; б — чехол гидробака; в — чехол рычага управления; г, д — сферические мембраны; е — баллон газогидравлического аккумулятора (/ — уплотнитель; 2 — корпус устройства)

УПС, камеры оболочковых уплотнений. Примеры конструкций показаны на рис. 3.41.

Мембраны представляют собой плотную и гибкую перемычку 1, имеющую наружный 2, а иногда и внутренний 3 бурт (рис. 3.42). По конструкции и форме их подразделяют на плоские, тарельчатые, конические, гофрированные и мембраны с жестким центром 4. Бурт может быть выполнен с утолщением круглой, прямоугольной или другой формы сечения для обеспечения герметичного закрепления мембраны в объекте по контуру. Жесткий центр предназначен для регулирования гибкости мембраны и присоединения к ней конструктивных элементов. На рис. 3.41, а показана коническая мембрана в устройстве, перемещающемся на расстояние х = X Др.

Жесткостью мембраны называют параметр L = ДР/Дх, равный усилию ДР = ДрХэф, воспринимаемому мембраной, на единицу перемещения Дх, см, где 5Эф = Р/Др = V^jx — эффективная площадь мембраны, см2; РЭф — эффективный объем — объем, вытесняемый мембраной при перемещении жесткого центра на 1 см. Для плоской мембраны с жестким центром $3ф = (1/3) (D2 + + dD + d2) л/4 [12]. Отношение площадей к = Х3ф/$ (S = 0,25лР2) называют

Рис. 3.42. Конструктивные формы мембран: а — плоская; б — тарельчатая; в — коническая, г — гофрированная; д—ж — те 'же конструкции с жестким центром

Таблица 3.19

Зависимость хода жесткого центра мембраны

от диаметпа D 121

D, мм

Значения х, мм, для мембраны

ПЛОСКОЙ

гофрированной

тарельчатой

конической

40-80

1-2

2-6

10-30

6-46

90-160

2-7

4-12

34-42

35-155

180-220

3-8

6-12

24-48

25-210

250-320

3-10

6-20

24-60

13-330

360-500

—

—

24-68

21-550

коэффициентом активности мембраны. Расчетное значение к = (1 +d/D+(<//£))2/3. Расчет параметров мембран рассмотрен в работах [2, 12]. Гофрированные мембраны по механизму действия аналогичны плоским, менее жестки и обеспечивают больший ход х (табл. 3.19). Конические мембраны обеспечивают самый большой ход и минимальное усилие Р при благоприятных условиях скатывания конической поверхности между цилиндрическими направляющими устройства (рис. 3.42).

По условиям эксплуатации различают мембраны низкого и высокого давления. Последние отличаются сложными деформациями элементов при всестороннем действии переменного давления р. Га- зонасыщение материала пропорционально р [уравнение (6.16)], поэтому при пульсациях и сбросе давления возможно газовыделение в поры и появление внутренних трещин, приводящих к развитию локальных дефектов. В таких условиях работают мембраны и баллоны газогидравлических аккумуляторов. В ре

зультате пульсации давления газ в аккумуляторе нагревается вследствие быстрого сжатия (дизельный эффект) и возникает возможность ускоренного термостарения резины. В связи с этим для прогнозирования сроков эксплуатации мембраны высокого давления необходим тщательный анализ зависимостей р (t) и расчет температурного режима 9(1).

Мембраны насосов обычно нагнетают жидкость при низком давлении, но воспринимают значительные осевые нагрузки и совершают большое число рабочих ходов. Для повышения прочности и наработки эти мембраны выполняют из резинотканевых материалов.

Резиновые смеси для изготовления мембран должны быть совместимы с рабочей средой (см. подразд. 2.2 и 6.3). Дополнительные требования к материалу: низкая газо- и влагопроницаемость, минимальная сорбция РЖ. Кроме того, материал не должен иметь поры, не должен растрескиваться при больших деформациях изгиба во всем рабочем диапазоне температур. При низких температурах и свойственных мембранам больших деформациях затвердевший материал быстро разрушается. Для резинотканевых мембран резиновая смесь должна быть совместима с клеями. Мембраны изготовляют из специальных резиновых смесей, индекс которых дополняют буквой Д (диафрагмовая).

Герметичность мембран характеризуется утечками среды через уплотнение (механизмы утечек рассмотрены в подразд. 1.4, 1.5, 3.1, 3.5).

Глава Н

УПЛОТНЕНИЯ СОЕДИНЕНИЙ ПАР ВОЗВРАТНОПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ

Основные конструктивные группы и области применения

Для герметизации соединений пар возвратно-поступательного движения, применяют следующие уплотнения типа

УПС (см. рис. 1.1 и рис. 4.1):

гцелевые и лабиринтные в качестве первой ступени УПС или в соединениях, допускающих большую утечку:

металлические, углеграфитовые или пластмассовые поршневые кольца во внутренних соединениях, допускающих пере- течку сред;

набивочные для специальных сред (см. гл. 10);

эластомерные и комбинированные с кольцами или манжетами в соединениях с высокой герметичностью;

диафрагмовые разделители при требовании практически полной герметичности;

грязесъемники со стороны внешней среды.

Области применения и требования к УПС чрезвычайно разнообразны, однако можно выделить два класса машин, в которых эксплуатируется большая часть УПС общепромышленного назначения: 1 — гидро- и пневмоцилиндры, 2 — поршневые машины (насось!, компрессоры, ДВС).

Гидроцилиндры по конструктивной схеме и условиям эксплуатации УПС подразделяют на домкратные, кузнечнопрессовые, мобильных (землейройных, строительно-дорожных) машин, станков, систем управления и автоматики, роботов, тормозных систем транспорта.

Для каждого из перечисленных типов гидроцилиндров характерны: номинальные и максимальные давления (р, ртт МПа), скорости (г, гта„ м/с), температуры (9...9там °C) при среднестатистической оценке режимов работы; типовые требования к ресурсу (IV, циклов; L, км) и герметичности (V, см3/м2; С, см3/(м ■ с); рабочая жидкость — РЖ (см. подразд. 2.5) и окружающая среда — А.

УПС домкратов (шахтные крепи, механизмы горизонтирования подъемнотранспортных машин и т. д.) работают в режиме редких периодических перемещений штоков (г < 0,5 м/с; р < < 30 МПа), длительных стоянок (р = = Ртах < ЮО МПа); среда А — запыленная и взрывоопасная (9 = 0... 4-40 °C). РЖ — негорючая, например эмульсия типа ВНИИ НП-117. Герметичность не ниже класса 1 — 2. Применяют эластомерные УПС (см. например, рис. 4.1,г — е,и, к).

УПС кузнечно-прессового оборудования работают в режиме систематических

перемещений плунжеров (г < 1 м/с; р < 50 МПа), А — пожароопасная (9 = = 0... 4-40°C), РЖ типа промгидрол (9 <60 °C), иногда масла типа И-50А. Требуемый ресурс N а 105; L % 1000 км за 10000 ч при негерметичности класса 3 — 1. Применяют резинотканевые, пластмассовые и комбинированные УПС (см. например, рис. 4.1).

УПС гидроцилиндров мобильных машин работают в режиме систематических перемещений штоков (г < < 0,5 м/с; р < 30 МПа), среда А — запыленная (9 = - 45... + 45 °C), РЖ типа ВМГЗ, МГ-30 (9 <80 °C). Требуемый ресурс L & 1500 км за 5000 ч при негерметичности класса 3—1. Применяют резинотканевые манжетные или комбинированные УПС с грязезащитой (см. например, рис. 4.1,з,1/,к). УПС для холодного климата выпускают в исполнении ХЛ.

УПС гидроцилиндров станков (см. рис. 4.1,9, ж) работают в режиме систематических перемещений штоков (г < 1,5 м/с; р < 15 МПа); среда А — атмосфера (9 = 0... 4-35 °C), РЖ — масла типа ИГП (9 < 60 °C). Требуемый ресурс N = 106... 108 (для шлифовальных станков), L % 10 000 км за 20 000 ч. Для внутренних полостей применяют УПС с поршневыми металлическими кольцами (герметичности класса 6), для штоков — эластомерные манжеты (L « »9000 км при негерметичности класса 3 — 2). Для всех рассмотренных УПС сила трения не лимитируется.

УПС гидроцилиндров систем автоматики работают в режиме систематических перемещений по произвольному закону обычно с малой амплитудой хода (г < 0,3 м/с; р < 20 МПа); реже — с большой амплитудой хода (г < < 0,5 м/с; ртах < 30 МПа). Среда А - атмосфера (9 = 0... 4-40°C — в промышленных условиях; 9 = —45... 4-45 °C — в мобильных машинах). РЖ — МГЕ-10А, АМГ-10, АУП, ИГП-18 (9<120°Q, синтетические РЖ (9 < 200 °C). Наружная негерметичность класса 2 — 1... 3 — 1. Применяют эластомерные и комбиниро-

Рис. 4.1. Уплотнения гидроцилиндров:Рис. 4.1. Уплотнения гидроцилиндров:а — в — кольцевые У ПС поршней (О-, X- и Т-образного сечения с защитными кольцами); г — е — УПС штока Х-образным кольцом и манжетами с защитными кольцами; ж — поршневые кольца разрезные; з — манжеты с защитными кольцами; и — УПС штока комплектом резинотканевых манжет; к — грязесъемное кольцоа — в — кольцевые У ПС поршней (О-, X- и Т-образного сечения с защитными кольцами); г — е — УПС штока Х-образным кольцом и манжетами с защитными кольцами; ж — поршневые кольца разрезные; з — манжеты с защитными кольцами; и — УПС штока комплектом резинотканевых манжет; к — грязесъемное кольцованные УПС с малыми силами трения и высокой надежностью, от которых требуется обеспечение 95 % ресурса L к 300 км (см. например, рис. 4.1, а, б, г).

Рис. 4.1. Уплотнения гидроцилиндров:

Рис. 4.1. Уплотнения гидроцилиндров:

а — в — кольцевые У ПС поршней (О-, X- и Т-образного сечения с защитными кольцами); г — е — УПС штока Х-образным кольцом и манжетами с защитными кольцами; ж — поршневые кольца разрезные; з — манжеты с защитными кольцами; и — УПС штока комплектом резинотканевых манжет; к — грязесъемное кольцо

а — в — кольцевые У ПС поршней (О-, X- и Т-образного сечения с защитными кольцами); г — е — УПС штока Х-образным кольцом и манжетами с защитными кольцами; ж — поршневые кольца разрезные; з — манжеты с защитными кольцами; и — УПС штока комплектом резинотканевых манжет; к — грязесъемное кольцо

УПС гидропривода тормозной системы автомобилей работают в относительно легких режимах (и я 0,05 м/с; р< < 10 МПа), но должны быть весьма надежны в условиях сильно загрязненной внешней среды А (атмосфера, вода); РЖ — тормозные жидкости (8 « « — 45... + 60 °C). Применяют эластомерные УПС и чехлы для грязе- защиты (см. рис. 4.20).

УПС пневмоцилиндров используют чаще всего в станках и роботах (и < 1 м/с; р < 1 МПа). 95 %-ный ресурс L as 100 км при негерметичности класса 2—2. УПС пневмосистем тормозов транспортных машин эксплуатируют при 8 =—50...+60°C в условиях загрязненной внешней среды А. Применяют эластомерные уплотнения с высокой степенью надежности.

Из УПС поршневых машин наиболее распространены [4, 52] щелевые уплотнения с зазором между поршнем и

Рис. 4.2. УПС аксиально-поршневых насосов и гидромоторов:а — щелевого вида; б — с разрезным поршневым кольцом (/ — блок цилиндров; 2 — поршень; 3 — шатун; 4 — поршневое кольцо)Рис. 4.2. УПС аксиально-поршневых насосов и гидромоторов:а — щелевого вида; б — с разрезным поршневым кольцом (/ — блок цилиндров; 2 — поршень; 3 — шатун; 4 — поршневое кольцо)цилиндром 8 = 10... 30 мкм (рис. 4.2, а) и длиной уплотняющей части / > > (2... 3) dn, применяемые в насосах и гидромоторах. РЖ — типа МГЕ-10А, ВМГЗ, АМГ-10 (8= -50...+100 °C), а также АУ, МГ-30, ИГП-18 (8 = = —15...+120°C). Пара трения: бронза — сталь или чугун — сталь. Ресурс при р < 15 МПа и р < 30 МПа А« as 109 за 5000 ч при негерметичности класса 6. В аксиально-поршневых насосах применяют разрезные металлические поршневые кольца (рис. 4.2,6) со сферической поверхностью контакта

Рис. 4.2. УПС аксиально-поршневых насосов и гидромоторов:

а — щелевого вида; б — с разрезным поршневым кольцом (/ — блок цилиндров; 2 — поршень; 3 — шатун; 4 — поршневое кольцо)

Рис. 4.2. УПС аксиально-поршневых насосов и гидромоторов:

а — щелевого вида; б — с разрезным поршневым кольцом (/ — блок цилиндров; 2 — поршень; 3 — шатун; 4 — поршневое кольцо)

(пара трения сталь — чугун, РЖ — вязкие типа МГ-30, р ^ 40 МПа; v ^ 12 м/с; 9 = — 15... +120 °C, при негерметичности класса 6; ресурс в достаточной мере не выявлен). Для насосов сверхвысокого давления (р ^ 65 МПа), по зарубежным данным, применяют поршни с губкой (показана штриховой линией на рис. 4.2, а), в которых зазор 8 уменьшается с повышением р в результате ее деформации. Теория и расчет щелевых уплотнений изложены в подразд. 11.3.

Поршневые кольца ДВС [93] работают, контактируя с горячим газом (9 = 150... 300 °C) при р^Ю МПа, г ^ 15 МПа. Ресурс N % 1010, L % % 300 000 км. Подробнее см. подразд. 4.5 и [93].

УПС поршневых компрессоров [58] обычно представляют собой комплект из шести-десяти плавающих колец, каждый из которых воспринимает долю общего перепада давлений Др = £ Лр; (см. рис. 4.6). Конструкции УПС весьма разнообразны. В последнее время широко применяют УПС с кольцами из само- смазывающихся материалов, не требующих специальной системы смазки при газообразных рабочих средах.

Влияние места расположения УПС в агрегате на их работу. Эксплуатационные свойства УПС существенно зависят от сочетания направлений движения контртела и действия сил давления (рис. 4.3). На УПС штоков (рис. 4.3,а), которые, как правило, выдвигаются в направлении среды с давлением р0 < р, сила Рр действует только в одном направлении. В этом случае применяют УПС одностороннего действия, создаваемые на основе манжет (см. рис. 4.1,9, е, и) или плавающих колец. В зависимости от направления движения штока его ход

Рис. 4.3. Схемы расположения УПС

Рис. 4.4. Структурная схема УПС:/ — основной (скользящий) уплотняющий элемент; 2 — силовой элемент; 3 — вспомогательный уплотняющий элемент (УН); 4 — неподвижное контртело; 5 — гибкий элемент; б — защитный (ан- тиэкструзионный) элемент; 7 — подвижное контргело (шток, цилиндр)Рис. 4.4. Структурная схема УПС:/ — основной (скользящий) уплотняющий элемент; 2 — силовой элемент; 3 — вспомогательный уплотняющий элемент (УН); 4 — неподвижное контртело; 5 — гибкий элемент; б — защитный (ан- тиэкструзионный) элемент; 7 — подвижное контргело (шток, цилиндр)

Рис. 4.4. Структурная схема УПС:

/ — основной (скользящий) уплотняющий элемент; 2 — силовой элемент; 3 — вспомогательный уплотняющий элемент (УН); 4 — неподвижное контртело; 5 — гибкий элемент; б — защитный (ан- тиэкструзионный) элемент; 7 — подвижное контргело (шток, цилиндр)

Рис. 4.4. Структурная схема УПС:

/ — основной (скользящий) уплотняющий элемент; 2 — силовой элемент; 3 — вспомогательный уплотняющий элемент (УН); 4 — неподвижное контртело; 5 — гибкий элемент; б — защитный (ан- тиэкструзионный) элемент; 7 — подвижное контргело (шток, цилиндр)

может быть насосным (сплошная стрелка на рис. 4.3. а) или моторным (штриховая стрелка). При расположении УПС в штоке (рис. 4.3, б) характер относительного движения меняется, так как контртелом становится цилиндр. Если поршень находится под действием переменной по направлению силы Рр, применяют УПС двустороннего действия (рис. 4.3, в) на основе эластомерных колец (см. рис. 4.1, а — в), поршневых колец (см. рис. 4.1, ж) или двух уплотнителей одностороннего действия (см. рис. 4.1, з). В последнем случае между уплотнителями иногда может образоваться замкнутый объем с высоким давлением, поэтому уплотнители должны обладать клапанной способностью — пропускать сосцу в обратном направлении.

Комбинированные УПС и уплотнительные комплексы применяют для повышения ресурса, срока хранения и обеспечения запаса работоспособности в кратковременных экстремальных условиях. Возможности простых конструкций всегда ограничены свойствами материала уплотнителя. В комбинированных УПС элементами структурной схемы (рис. 4.4) являются детали, выполненные из разных материалов, наиболее приспособленных для обеспечения функций элемента. Основной уплотнительный (скользящий) элемент 1 должен обеспечивать максимальную герметичность и минимальную силу трения. Первому требованию лучше всего отвечают эластомеры, второму — мягкие пластмассы с антифрикционными наполнителями (чаще всего на основе ПТФЭ). Наиболее перспективными материалами

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 б 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 Si (рис. 4.5,а) включает: теплоизолятор 1, щелевое или лабиринтное УПС 2, дренажную систему 3, промежуточное УПС 4 на Др = р2 — ро, дренажную систему 5 с накопителем утечек, внешнее УПС б, систему охлаждения 7.

На рис. 4.5,6 показана схема комплекса УПС для герметизации штока клапана, проходящего через две рабочие полости Рх и Р2 [36]. Среды Рг и Р2 не должны смешиваться даже в пределах утечки в виде жидкостной пленки на штоке. Каждая полость герметизируется УПС высокого давления (1 и Г\ 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 У ПС 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 X- 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 Du < 35 мм. При больших D и Оц 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; грязесъемники 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; Т3.19.18.73; NFPA ТЗ.19.11.72; ТЗ.19.11.72 SAE J929a; J1601; 11603; J1604; AS: ARP: AIR ARP979; AJR 1077; AIR 1244; AMS 731OF; 731 ID; 7312D (США); JJS B2403; B8032 (Япония).

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 риг 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 6, давления рк и градиента давления р, в эластомерном УПС (о) при прямом (6) 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 8, гидродинамическим давлением рТ в нем, вязкостью ц и скоростью г 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 рт легко деформируются до установления равновесия рс = рк при зазоре 8 (рис. 4.7). Величины 8 весьма малы по сравнению с начальной деформацией уплотнителя АН = = (d-H)/2 (АН = 500 ...1000 мкм, 8 = = 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 формы 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 dpx/dx = р'х по х (найдены экспериментально или расчетом), поэтому уравнение Рейнольдса из дифференциального становится алгебраическим:

—83—68 + 680=0 или цг

КН3 - 6Н + 6 = 0, (4.1)

где 80 — зазор в сечении с линейным распределением и (см. рис. 4.7, б, в); К = &oPx/(pv); р'х = dpT(dx; Н = Б/Б0.

Зависимость К(Щ имеет максимум Кmax = 8/9 при Н = 1,5 и фактически выражает связь рх с Н, так как К отличается от рх лишь постоянным множителем 8о/(цг). Поэтому Kmax соответствует Рхшах и из выражения для К следует: 80 = |/8щ;/(9р^тах). Для определения 80 при прямом (из среды Р в среду Л) и обратном ходах контртела на эпюрах рк необходимо найти точки перегиба из и w2, в которых Pwi и р^2 максимальны. Высота зазора по поверхности контакта переменна, однако для ее оценки достаточно найти характерный зазор при прямом 81 и обратном 82 ходах:

81 = aij/pi^i/p^;

82 = ос2 l/p^/p^, (4.2)

где «1 и а2 — безразмерные коэффициенты; Ц] и ц2 — вязкости жидкости при давлениях р и р0 соответственно, Па-с; р'И1, p'W2 — максимумы градиента давления в точках из или w2, Па/м. Давление р в полости при прямом и обратном ходах обычно различно (pi и р2).

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

УПСрPwiрPw1РPwiрAv2рPwiрPwiPwiКольцо:круглого сечения5,04,01210,04020,014032305384105,0Х-образное0,110,03,2146,4308,860—-———10,0пилообразное2,55,042——15,516030350——35,0Манжета0,83,2205,8368,079————5,6УПСрPwiрPw1РPwiрAv2рPwiрPwiPwiКольцо:круглого сечения5,04,01210,04020,014032305384105,0Х-образное0,110,03,2146,4308,860—-———10,0пилообразное2,55,042——15,516030350——35,0Манжета0,83,2205,8368,079————5,6Таблица 4.1Значения градиентов давлений p'w2 и //и.ь ГПа/м, в зазоре УПС прн давлении среды р, МПаТаблица 4.1Значения градиентов давлений p'w2 и //и.ь ГПа/м, в зазоре УПС прн давлении среды р, МПаРкИ для кольца круглого сечения диаметром d — парабола с максимумами Рко = 1,25е£ и p'w % 2,5£/d. На рис. 3.5 показаны зависимости рДх) для манжет и колец О-, X- 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).

УПС

р

Pwi

р

Pw1

Р

Pwi

р

Av2

р

Pwi

р

Pwi

Pwi

Кольцо:

круглого сечения

5,0

4,0

12

10,0

40

20,0

140

32

305

38

410

5,0

Х-образное

0,1

10,0

3,2

14

6,4

30

8,8

60

—-

—

—

—

10,0

пилообразное

2,5

5,0

42

—

—

15,5

160

30

350

—

—

35,0

Манжета

0,8

3,2

20

5,8

36

8,0

79

—

—

—

—

5,6

УПС

р

Pwi

р

Pw1

Р

Pwi

р

Av2

р

Pwi

р

Pwi

Pwi

Кольцо:

круглого сечения

5,0

4,0

12

10,0

40

20,0

140

32

305

38

410

5,0

Х-образное

0,1

10,0

3,2

14

6,4

30

8,8

60

—-

—

—

—

10,0

пилообразное

2,5

5,0

42

—

—

15,5

160

30

350

—

—

35,0

Манжета

0,8

3,2

20

5,8

36

8,0

79

—

—

—

—

5,6

Таблица 4.1

Значения градиентов давлений p'w2 и //и.ь ГПа/м, в зазоре УПС прн давлении среды р, МПа

Таблица 4.1

Значения градиентов давлений p'w2 и //и.ь ГПа/м, в зазоре УПС прн давлении среды р, МПа

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 p'wi % р«о (р(„о — градиент при р = 0,1 МПа) почти не зависит от р. При обратном ходе

Pw2 = PwO + Ср"2,(4.3)

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

Особенности изменения p'wi и p'w2 при повышении давления среды проявляются в зависимости утечек и силы трения

Рис. 4.8. Зависимости градиентов давления Pwi (штриховые линии) и р«2 (сплошные линии) от давления

от направления движения контртела в УПС.

При прямом ходе контртела (см. рис. 4.7,6) определяющая точка ил эпюры рк находится со стороны рабочей полости и зазор 81 [см. уравнение (4.2)] определяется градиентом p'wv При обратном ходе точка w2 находится со стороны внешней среды (см. рис. 4.7, в) и зазор 82 [см. уравнение (4.2)] определяется градиентом p'w2. Утечки через УПС равны разности объемов пленки при прямом и обратном ходах контртела. За каждый двойной ход контртела диаметром D утечки У= 0,5лО£(81 — 82). Относительные утечки V= V/(kDE) численно равны условной толщине пленки утечки ДА. 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 *Fi (при прямом ходе) и Т2 (при обратном ходе):

- V

v= -— 0,5 ОВД - Ф282). (4.4) KUL

При определении площади контртела nDL берут длину его прямого хода L. Коэффициенты fi и Т2 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 v=Vi = v2, расход утечки Q = Исо, см3/с.

Критерий h = h/Rz — отношение эквивалентной толщины пленки h к параметру шероховатости контртела Rz — позволяет оценивать режим работы УПС и, в частности, выявлять закономерности изменения функциональных коэффициентов ЧУ и Ч*2, их связь с коэффициентом трения У На рис. 4.9, а показаны экспериментальные точки для Ч* и аФ в зависимости от h для масел АУП (точки /), ГМ-50И (2), МС-20 (3) и глицерина (4), по которым установлена зависимость Ч7 (Я). При Я < 0,5 S' = 0, при Я > 1 4х = 1, при 0,5 < Я < 1 Ч* линейно увеличивается от 0 до 1. По результатам этого эксперимента (кольца круглого и пилообразного сечений; d = 3 мм; г < 0,3 м/с; р < 40 МПа; Rz = 0,8 мкм) построены также зависимости /(Я) (рис. 4.9,6). По аналогии с диаграммами Герси — Штрибика — зависимостями /(G) — можно заключить, что при Я > 1 возникает режим гидродинамической смазки, при 0,5 < Я < 1 —

полужидкостной, при Я < 0,5 — граничной и полужидкостной. Пленка жидкости на контртеле при Я > 0,5 вызывает утечки. При Я > 1 в соответствии с гидродинамическими закономерностями [см. уравнение (4.2)] проявляется влияние и, р, р, а при 0,5 < Я < 1 — также влияние функции ЧУ При Я < 0,5 на поверхности контртела образуется граничная пленка, не вызывающая капельных утечек, но определяющая зависимости /(г) и У(р), свойственные граничной смазке. Зависимость условной толщины пленки АЯ и удельных утечек Й от v, ц и р для различных уплотнений показана на рис. 4.10. При высоком давлении среды существенно проявляется увеличение вязкости жидкости — характер зависимости АЯ(р) для масел с пьезокоэффициентом а = 0,03 МПа-1 и глицерина с а = 0,006 МПа-1 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 (Ч1 ^ > 0,5) и не возвращается в полость при обратном ходе. Соответственно при прямом ходе действует малая сила трения, при обратном — большая.

Рис. 4.9. Экспериментальные зависимости функциональных коэффициентов (а) и коэффициента трения (6) от критерия h при прямом (зачерненные точки) и обратном (светлые точки) ходах и различных режимах смазки:

/ — граничная; II —III — граничная и полужидкосгная; IV— полужидкосгная; V— гидродинамическая

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

«-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 > 51), обусловленной соотношением градиентов давления р^2 < 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 = 0 и снаружи УПС имеется жидкость, в результате насосного эффекта в полости может возникнуть давление рн.

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 (6) сечений

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 1’^0,5...3 м/с, 9 = —50... 100°C или 9 = —1О...15О°С и р<15 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 большие 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 круглого, овального, Х-образного и пилообразного сечений. Они отличаются наибольшей простотой и компакт-

Рис. 4.12. Кольцевые УПС (в, г, д, е, ж) в уплотнительных устройствах цилиндров (а, 6) и штоков (з):

1 — 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 (D ^

Рис. 4.13. Манжетные УПС (6, в, г, д, е) в уплотнительных устройствах цилиндров (а, к) и штоков (ж, з, и, л):

/ — контртело; 2 — уплотнитель; 3 — защитные кольца; 4 — деталь, неподвижная относительно УПС; 3 — манжетодержатель; 6 — пружина

Таблица 4.2

Основные размеры мест установки но ГОСТ 23823 - 79 уплотнительных колеи круглого сечения по ГОСТ 9833 — 73

Типоразмер кольца

D

Оц

Н

В

Si

S2

003-005-14

3

5

1

2

3

4

004- 006-14

4

6

003 - 006-19

050 — 053—19

3

50

6

53

1,5

2,4

3,4

4,4

004-008-25

150-i 55-25

4

150

8

155

2

3,3

4,3

5,3

010-015-30

150-155-30

10

150

15

155

2,5

3,7

4,7

5,7

014—020 — 30

250 — 255 — 36

14

250

20

255

3

4,4

5,4

6,4

028-036-40

250 — 260 — 46

28

250

36

260

4

5,2

6,2

7,2

050-060-58

500—510 — 58

50

500

60 sib

5

6,5

7,5

8,5

082-095-75

132—145 — 75

82

132

95

145

6,5

8,2

9,2

10,2

135-150-85

400—415 —85

135

400

150

415

7,5

9,4

10,4

11,4

< 3 мм) систем гидро- и пневмоавто

матики. 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, v и р (см. рис. 4.10), поэтому их целесообразно применять только при легких режимах или во

внутренних УПС. Эти кольца отличаются высокими начальными силами трения Р/о = /Ро (см. рис. 3.6 и 1.28) в момент страгивания с места. Для колец с d = 3 мм Ру 0 % 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 D = = 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 колен круглого сечения. Недостатки ко-

Таблица 4.3

Основные размеры резиновых уплотнительных колец овального сечения и их мест установки в штоках и цилиндрах

d

h

b

D

Оц

H

В

Si

s2

50

190

4,5

6

50

190

60

200

3,5

7,2

10,2

13,2

200

500

6,5

8,5

200

500

210 sib

5

10

13

16

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

лец овального сечения — повышенные сила трения и ширина УПС.

Кольца Х-образного сечения (см. 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 р'к (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 к = 10... 20%. При больших 8 сила трения резко увеличивается, так как в контакт вступает средняя часть сечения кольца. В отечественных гидроцилиндрах стоек и домкратов горношахтного оборудования применяют кольца (манжеты двустороннего действия) по СТП 004012.153 — 83 на £)ц = = 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 v < 0,5 м/с или при р < 96 МПа и с^ 0,05 м/с. Высота Н (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 уплотнительных устройств штоков £)=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 (1 — внутренняя ступень с кольцом круглого сечения; 2 — пружина; 3 — ступень с кольцом вилообразного сечения; 4 - смазывающее фетровое кольцо, 5 — грязесъемное копыто)

при р < 0,15 МПа, v < 3 м/с и 9 = = — 50... + 60°C эти кольца обеспечивают высокую герметичность (Г< <0,001 см3/м2; 1—2 класс) и ресурс L^ 500 км при IV = (5... 7) 106, 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: d = 0,5D, I = 0,8Л. 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 ~ ж 5 МПа), который при правильной

ориентации кромок препятствует утечкам жидкости. При р < рИ 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 пониженные силы трения Ру 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 Ру (площадь поверхности контакта больше, чем у колец). Для предотвращения выдавливания тыльной стороны манжеты в зазор применяют защитные кольца 3 (см. рис. 4.13. и, 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 е С 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 1 (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 D„ 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 Г< < 0,5 см3/м2 (для манжет типов 1 и 2) и V < 0,2 см3/м2 (для манжет типа 3). Условное обозначение манжет: тип манжеты — Du х D (в мм) — группа резины, например: Манжета 1—20x12 — 1 ГОСТ 14896 — 84.

Таблица 4.4

Характеристики и условия применения манжет по ГОСТ 14896— 84

Группа резины

Каучук (резина)

Рабочая среда

Диапазон рабочих температур, °C

Ртах»

МПа

Ресурс

общий, годы (при 9, °C)

в том числе, сут., при 9, °C

50

70

100

0

СКФ-26 (ИРП-1316)

Масла индустриальные, турбинные, дизельные и авиационные; РЖ: ВМГЗ, МГ-30

-10...+200

32

10

(-10... + 70)

—

-

2,5 net

1

СКФ-32 (ИРП-1225А)

— 10... + 150

—

—

2,5 лет**

2а

СКН-40 (3825)

-30...+ 100

3

(-30... + 30)

40

7

5/6

26

СКН-40 (51-2145-1)

-10...+ 100

50

3

(-10...+50)

—

400

28

4

СКН-26 (ИРП-1068-1)

-30...+ 100

32

5

(-30...+30)

30

6

2/3

2

СКН-40 (4004-4)

Вода, вода с хромпиком, вода морская, дистиллят, конденсат

-2...+70

20

3

(—2...+25)

10

1

-

2а

СКН-40 (3825)

25

5

—

5

СКН-18 + + СКН-26 (51-3029)

8

(-2...+35)

90

24

—

2а

СКН-40 (3825)

Водомасляные эмульсии с присадками

(—2...+25)

25

5

—

26

СКН-40 (51-2145-1)

-10... + 70

3

(-10... + 30)

150

50

—

3

СКН-40 + + ПВХ КР360-3

Водомасляные эмульсии с присадками, масла индустриальные

-2...+70

63

(-2...+25)

80

15

6

СКН-18 + + СКН-26

(В-14-1)

Масла: АМГ-10, АУ, ЭШ, РЖ:

ВМГЗ, МГ-30, БСК, ГТЖ-22М

-60... + 100

50

5

(-60... + 30)

45

8

2

* Или 1 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 °C, или 40 сут., при 9 < 150 °C.

Примечание. Срок службы маижет 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°C и р < 50 МПа, фторопласты при 9 = — 50... + 150°C 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,з, и) предназначены для штоков. Применение браслетных

Таблица 4.5

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

Манжета типа 1

Место установки

Манжета типа 3

Место установки

Обозначение

Размеры

Обозначение

Размеры

DuxD

Ъ

А

Н

В

В\

D^xD

ь

А

н

В

Bi

12x4

14 х 6

5,5

6

4

7.5

9,5

12x4

24 х 16

5,2

5

4

7

8,5

16 х 8

22 х 14

6,5

6

4

7,5

9,5

22 х 10

36x24

7,8

7,5

6

10

12

30x14

40x24

10,4

9,5

8

12

14

25 х 15

60x50

8

7

5

8,5

10,5

40x20

100 х 80

13

12

10

15,5

18

63x48

90 х 75

10,5

9

7,5

11

13,5

75x50 ...

110x85

14,5

12,5

18,5

21

100x80

340x320

14

10

10

12

14

75x45

230x200

19,5

17

15

21

24

360х335

500x475

17

12,5

12,5

15

17,5

220x180

360x320

26

23

20

31,5

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, и). 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 г < 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 °C), группы 2 на основе СКФ-26 (8 = — 20... +150 °C), группы 3 на основе СКН-40 (9 = - 30... +100 °C). Для воздуха при 9 = — 65... +100 °C 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.

Таблица 4.6

80 %-ный ресурс L манжет типов 1 и 3 по ГОСТ 14896 — 84 при наличии защитных колец и 9 <50°С (80% L) и 9 <70°С (20% L)

Диаметр штока или цилиндра, мм

L, км, при р, МПа

До 6,3

6,3-10

10-16

16-25

25-32

32-50

До 25

200

300

250

200

150

100

Св. 25 до 160

500

500

400

300

200

100

»160 » 250

200

150

120

100

90

70

» 250 » 320

100

80

70

60

50

40

»320 » 500

60

50

40

30

20

10

4.13,6). Условное обозначение манжет: тип манжеты — D или Оц (в мм) — группа резины, например: Манжета 1—025 — 3 ГОСТ 6678 — 72. Высота манжет примерно соответствует высоте манжет типа 1 по ГОСТ 14896 — 84, ширина примерно в 1,5 раза меньше. Основная область применения — пневмоцилиндры станочного оборудования, промышленных роботов и тормозных систем наземного транспорта. Герметичность УПС нормируется по падению давления воздуха в уплотняемой полости, которое не должно превышать 5 кПа за 3 мин, 95 %-ный ресурс не менее 100 км. Гарантийный срок эксплуатации — 3 года. Для нормальной работы манжет необходимо смазывание (подача распыленного масла в сжатом воздухе) или (при ходе более 15 мм) установка рядом с манжетами смазочных колец из тонкошерстного войлока по ГОСТ 288 — 72, пропитанных пластичным смазочным материалом.

Грязесъемные манжеты — наиболее распространенный элемент комбинированных УПС, обеспечивающий при обратном ходе удаление с поверхности штока загрязнений из внешней среды. Механизм процесса очистки показан на рис. 4.15. При выходе штока 3 из УПС (см. рис. 4.15, а) его поверхность покрыта пленкой рабочей или смазочной жидкости. Из внешней среды на нее попадают дорожная грязь, атмосферная и производственная пыль, влага, которые должны быть задержаны губкой А манжеты 2 при обратном ходе. Для обеспечения хорошего скребкового эффекта губка А при неподвижном штоке должна плотно прилегать к штоку (контактное давление

Рко). При прямом ходе она образует зазор 81 под действием давления пленки ргь Если давление рко чрезмерно велико, в полости между уплотнениями 1 и 2 Может возникнуть недопустимо высокое давление. Поэтому грязесъемная манжета должна обладать клапанным эффектом при прямом ходе штока. При обратном ходе штока зазор 62 должен быть минимальным, чтобы задержать частицы размером d > 62. Оптимальным является передний угол кромки у = 90... 120 °, при котором минимальны силы действия соскабливаемых с поверхности частиц и улучшен их отвод от кромки. Грязесъемные манжеты изготовляют из высокопрочной и износостойкой резины, поскольку они должны работать в условиях ограниченной смазки и повышенного абразивного действия частиц.

Резиновые грязесъемники для штоков (ГОСТ 24811 — 81) выпускают четырех типов (рис. 4.16): 1, 2 и 4 — для очистки штоков диаметром от 4 до 500, 900 и 200 мм соответственно от пыли и дорожной грязи; 3 — для очистки штоков диаметром от 20 до 360 мм от частиц угля, щебня и других абразивных (часто крупных) частиц. В манжетах

Рис. 4.15. Схема работы i рязесъемных манжет при прямом (а) и обратном (б) ходах штока:

1 — УПС; 2 — грязесъемная манжета; 3 — шток

Рис. 4.16. Резиновые i рязесъемники типов 1—4 (а—г) соответственно:

1 — шток; 2 — крышка; 3 — манжета; 4 — скребок;

5 — армирующее кольцо

типов 1, 2 и 4 угол у = 90 °, конструктивно они различаются только способом крепления в месте установки. Манжеты типа 1 имеют фланцевое крепление. Радиальные манжеты типа 2 устанавливают в неразъемные канавки, что уменьшает их габариты и упрощает монтаж. Манжеты типа 4 имеют привулканизо- ванное армирующее кольцо, обеспечивающее фиксацию в наиболее простых и технологичных канавках открытого типа.

Манжеты типа 3 со скребком из твердого и износостойкого фторопласта-4, имеющие угол у = 120°, работоспособны в наиболее тяжелых условиях. Размеры грязесъемпиков приведены в табл. 4.7.

Конструирование эластомерных УПС и их мест установки выполняют в соответствии с методикой, рассмотренной для колец в подразд. 3.3 и для манжет в подразд. 5.2 с учетом следующих особенностей. Для снижения трения ограничена относительная деформация, например, для колец круглого сечения Етах < < 0,25 (вместо 0,35 в УН) и emin ^ 0,1... ... 0,15. В связи с этим посадочные места выполняют с более жесткими допусками, для канавки назначают Ra = 0,8... 1,6 мкм и применяют кольца увеличенного се-

Таблица 4.7

Размеры грязесъемпиков (рис. 4.16) в зависимости от диаметра штока

Тип 1

Тип 2

о

Н

В

D

Н

В

4-28

6

4

4-18

3

5

30-56

8,75

6

20-22

4

60-95

11

8

25-100

4

7

100-140

13,75

10

110-200

6

9

150 - 240

15,5

12

220-280

8

250-500

17,25

14

320-400

10

11

450-630

12

710

15

15

800-900

14

18

Тип 3

Тип 4

D

Н

В

D

Н

В

20-50

52-100 105-200 210-360

5,5 8

10,5

12

7,5

9.5

10,5

11,5

4-10

12-100 ПО

125-200

3

5

7,5

7,5

5,5

10

10

12

чения. Циклическое изменение зазора в процессе работы, вызванное радиальными смещениями, конусностью и овальностью контртела, а также износ кольцевых УПС снижает их надежность по сравнению с аналогичными УН. Ширина канавки должна превышать ширину деформированного кольца, так как сжатие его боковыми стенками ведет к увеличению сил трения и износа. Для поверхности контртела установлен параметр шероховатости Ra = 0,2... 0,4 мкм. Важное значение имеет характер микрорельефа поверхности, определяемый методом обработки. Оптимальны поверхности с плавными микронеровностями, углами наклона а < 3 ° и большими радиусами скругления вершин р, характерными для поверхностей, полученных выглаживанием, обкатыванием, виброобкатыванием или полированием. Острые микронеровности (а > 5 ° и р < < 50 мкм, см. подразд. 3.1), свойственные поверхностям, полученным шлифо-

ванием и грубым хонингованием, вы- зывают быстрое изнашивание уплотнений. Так, цилиндр с поверхностью, обработанной хонингованием до Ra = = 0,2... 0,4 мкм (визуально такая поверхность выглядит матовой), способен за несколько часов вызвать недопустимый износ резиновой манжеты. Полированная, обкатанная или выглаженная поверхность гидроцилиндра (Ra = 0,2 мкм) с зеркальным блеском не вызывает заметного износа манжет даже за 250 ч работы. Твердость материала штока или цилиндра должна быть достаточной, чтобы исключить появление продольных рисок от абразивных частиц загрязнений и трения в опорах. Опоры штока или поршня необходимо выполнять из антифрикционных материалов, обеспечивающих минимальный износ трущихся пар и сохранение качества их поверхности. Зазоры между опорами и контртелом должны быть минимальными. Допуски на сопряжения опор с контртелом обычно назначают в пределах H9/f7.

При конструировании манжетных УПС назначают удельные усилия на кромках Рцо « 10 Н/см. Для обеспечения клапанного эффекта и исключения разрушения парных манжет давлением с тыльной стороны в УПС предусматривают манжетодержатели (см. рис. 4.13). Герметичность эластомерных УПС при работе на вязких жидкостях обусловлена распределением контактного давления и его градиентом (см. подразд. 4.2 и 1.3). В манжетах для обеспечения оптимального распределения рк(х) углы наклона передней (у) и задней (а) кромки выполняют разными (см. рис. 4.17, а). На рис. 4.17,6 — г показано влияние

угла у на распределение давления [106]. Поскольку губка манжеты обычно обращена во внутреннюю полость с давлением р, выполняют у = 60... 90 °, а = = 5... 10 ° и лишь для манжет при р<1 МПа а <30°. При а>10...20° под действием р происходит значительная передеформация сечения. Отношение длины губки к высоте манжеты (см. рис. 4.13, е) принимают Ь/1 % 1,5. В манжетах с развитой тыльной частью (Ь/1 > 1,5) выполняют несколько выступов пилообразной формы (см. рис. 4.13, л) для обеспечения смазывания и снижения трения. Манжеты с браслетной пружиной (см. рис. 4.13,3, й) проектируют аналогично манжетам УВ по методике, описанной в подразд. 5.2. Габариты армированных манжет (см. рис. 4.13, з) целесообразно назначать по ГОСТ 8752 — 79 (ряд 3); другие конструкции — в соответствии с размерами посадочных мест по ГОСТ 14896 — 84 или ГОСТ 22704-77.

Рис. 4.17. Эпюры контактного давления для манжет с различным профилем сеченияРис. 4.17. Эпюры контактного давления для манжет с различным профилем сеченияЗащитные кольца в УПС в отличие от УН сильно изнашиваются при трении с контртелом. Для компенсации износа один или оба торца выполняют коническими (см. рис. 4.13, а) с углами 10— 15°. Конус обеспечивает радиальную составляющую силы давления, прижимающую кольцо к контртелу. С повышением твердости и прочности материала защитных колец увеличиваются максимальные зазоры б^к, допускаемые в уплотняемом стыке. Однако неразрезные защитные кольца из твердых материалов невозможно монтировать в неразъемные канавки, а разрезные кольца работают менее надежно. Применение для защитных колец мягких пластмасс

Рис. 4.17. Эпюры контактного давления для манжет с различным профилем сечения

Рис. 4.17. Эпюры контактного давления для манжет с различным профилем сечения

позволяет выполнить их неразрезными. Для колец из фторопласта-4 5так % як 0,2 мм при р < 50 МПа и 9 < 130 °C Для уменьшения сил трения толщина защитных колец b должна быть минимальна, а сжатие по высоте h должно отсутствовать. Толщина b обычно составляет 1 мм; Н — h = 0,1 ...0,2 мм. При этом даже плоские защитные кольца из фторопласта-4 выполняют свои функции при небольших износах благодаря расплющиванию и увеличению h до Н при повышении р до выдавливания резиновых уплотнений в зазор. Под действием температурных напряжений и давления защитные кольца аналогично поршневым могут иметь с контртелом герметичные контакты. В результате этого уплотнитель с одним или двумя защитными кольцами образует пакет из двух или трех уплотнений с запертыми объемами между ними, которые отрицательно влияют на работу У ПС. Для устранения герметичности неразрезных защитных колец на их радиальных и торцовых поверхностях иногда выполняют шунтирующие канавки шириной и глубиной 0,2—0,6 мм.

Резинотканевые УПС. Резинотканевые материалы применяют для шевронных манжет. Для них характерны повышенные износостойкость и антиэкструзи- онная стойкость, ресурс и допустимые значения р и v. Для сохранения высокой герметичности УПС увеличивают р^ и число уплотнителей, однако при этом существенно увеличивается сила трения. Жесткие неразрезные уплотнители нельзя монтировать в неразъемные канавки, поэтому конструкция мест установки под них весьма сложная (см. рис. 4.1 и 4.18). В комплект УПС входит от двух до десяти манжет, нажимное и опорные кольца, пружина или нажимная букса и установочные шайбы. При большом числе манжет в комплекте УПС штоков применяют разрезные манжеты, допускающие монтаж без освобождения конца штока от прикрепленных к нему деталей большого диаметра. При этом разрезы у соседних колец должны рас-

Рис. 4.18. Конструкции УПС с шевронными манжетами:

а — без пружины; б — с пружиной (1 -- опорное кольцо; 2 — манжета; 3 — нажимное кольцо; 4 — регулировочная шайба; 5 — пружина)

полагаться диаметрально противо- положно. Опорные и нажимные кольца выполняют из резинотканевого материала, полиамидов, текстолита или бронзы. Особенность манжет — отсутствие при монтаже гарантированного натяга по внутреннему и наружному диаметрам. Контактные давления на губках манжет создаются практически только осевым поджимом уплотнения. При этом все уплотнители УПС испытывают практически объемное сжатие (как в набивочных уплотнениях). Набухание, температурные деформации, погрешности формы контртела и его радиальные смещения сильно влияют на контактное давление, силы трения и интенсивность изнашивания, вызывая необходимость подтяжки нажимной буксы. Принципиально необходимость в обслуживании уплотнения может быть исключена введением в конструкцию внешнего силового элемента — пружины 4 (рис. 4.18,6). Однако при высокой жесткости резинотканевых манжет шевронного профиля для компенсации их износа (до 30 % массы) требуются чрезмерно высокие усилия, и конструкция становится громоздкой. Большой ресурс определяет область применения резинотканевых шевронных уплотнений — гидроцилиндры насосов, домкратов, мобильных и кузнечно-прессовых машин.

Резинотканевые манжеты для гидравлических устройств (ГОСТ 22704 — 77) предназначены для герметизации штоков и цилиндров диаметром от 8 до 2000 мм, работающих при у < 3 м/с, р < 63 МПа при S = — 50... +100 °C (кратковременно до 120 °C) в среде минеральных

Таблица 4.8

Размеры шевронных резинотканевых уплотнений для гидравлических устройств по

ГОСТ 22704 — 77 для штоков и цилиндров

В

WMF

Ох Дц

Н

В при п = 2... 10

10x20

22 х 32

5

15 + 3 (и-2)

10x22

40x52

6

15 + 3 (и - 2)

20x35

125x140

7,5

19 + 3,5 (и - 2)

20x40

200 x 220

10

24 + 4,75 (и - 2)

60 х 85

100x125

12,5

30 + 5,75 (и - 2)

105х135

500х530

15

36 + 7,15 (и-2)

Таблица 4.9

Рекомендуемое число манжет в комплекте уплотнения штока диаметром D по ГОСТ 22704 — 77

О

Н

Число манжет в комплекте при р, МПа

6,3

10

20

32

40

63

От 10 до 30

5,0

3

4

4

4

5

6

6,0

7,5

10,0

3

3

4

5

Св. 30 » 60

6,0

4

4

5

4

6

6

7

7,5

10,0

12,5

3

5

5

5

3

3

4

4

5

» 60 » 100

7,5

4

4

5

6

7

8

10,0

15,0

3

4

5

6

7

3

3

4

5

6

» 100 » 220

7,5

10,0

15,0

4

5

6

7

8

9

4

5

6

7

8

3

3

4

5

6

7

» 22 » 500

15,0

4

5

6

7

8

9

Таблица 4.10

Начальное (8) и последующие (/О значения сжатия, мм, в зависимости от высоты манжеты по ГОСТ 22704 77

Число манжет в комплекте

Н

3

4

5

6

7

8

9

К

£

К

£

К

£

К

£

К

£

К

£

К

£

5,0

7

0,3

8

0,4

9

0,5

10

0,6

10

0,6

11

0,7

12

0,8

6,0

8

0,4

9

0,5

10

0,6

11

0,7

И

0,8

12

0,9

13

1,0

7,5

9

0,5

10

0,6

11

0,7

12

0,8

13

0,9

14

1,0

15

1,2

10,0

10

0,8

11

0,9

12

U

13

1,3

14

1,4

16

1,6

17

1,8

12,5

13

1,3

15

1,6

17

1,9

18

2,2

21

2,5

23

2,8

25

3,1

15,0

14

1,3

16

1,6

18

1,9

20

2,2

22

2,5

23

2,8

25

3,2

масел, нефти, пресной и морской воды, водных эмульсий. Предусмотрено несколько размерных рядов манжет с разными соотношениями высот и диаметров (табл. 4.8). Ширина УПС В определяется числом манжет и в комплекте (табл. 4.9). Материал манжет — ткань доместик по ГОСТ 1104 — 69, промазанная с двух сторон резиновой смесью на основе наирита и СКН с добавками графита в качестве смазочного материала. Осевое поджатие УПС в пределах 2 — 5%В (табл. 4.10) рекомендуется осуществлять подтяжкой нажимной буксы. По мере изнашивания уплотнения предусматривается периодическая подтяжка нажимной буксы вплоть до уменьшения ширины уплотнения на 20—30% начальной (см. табл. 4.10), т. е. допускаемый массовый износ уплотнения 20 — 30 %. В динамике V < 0,5 см3/м2. Гарантийный ресурс в зависимости от р и v достигает 2000—14 000 км (см. подразд. 1.5). Гарантийный срок эксплуатации до 5 лет.

УПС из фторопласта-4 и фторопласта-40 обеспечивают минимальные значения / и Р^, плавность скольжения и работоспособны без смазочного материала в широком диапазоне температур, практически не старятся при хранении и эксплуатации до 20 лет. Пластмассовые УПС перспективны для гидро- и пневмоцилиндров всех типов, за исключением компрессоров и ДВС, работающих при Э > 250... 300 °C. Пластмассовые УПС создают на основе манжет (рис. 4.19, а). Для обеспечения гибкости губки манжет выполняют более тонкими, чем в резиновых и резинотканевых манжетах. Однако это снижает запас на изнашивание. При использовании твердых и прочных пластмасс более эффективны радиально-торцовые плавающие кольца (см. рис. 4.6) — они нечувствительны к радиальным смещениям контртела и имеют минимальные габариты. Вследствие хладотекучести пластмасс упругие деформации УПС не превышают 2%,

Рис. 4.19. Пластмассовые УПС с манжетами (а — в) и кольцами (г—з):1 - шток или цилиндр; 2 —деталь, неподвижная относительно УПС; 3 — уплотнитель; 4 — силовой элементРис. 4.19. Пластмассовые УПС с манжетами (а — в) и кольцами (г—з):1 - шток или цилиндр; 2 —деталь, неподвижная относительно УПС; 3 — уплотнитель; 4 — силовой элемент

Рис. 4.19. Пластмассовые УПС с манжетами (а — в) и кольцами (г—з):

1 - шток или цилиндр; 2 —деталь, неподвижная относительно УПС; 3 — уплотнитель; 4 — силовой элемент

Рис. 4.19. Пластмассовые УПС с манжетами (а — в) и кольцами (г—з):

1 - шток или цилиндр; 2 —деталь, неподвижная относительно УПС; 3 — уплотнитель; 4 — силовой элемент

Пластмассовые и комбинированные уплотнения

Широкое применение пластмасс в УПС связано с их высокой антиэкс- трузионной стойкостью. Защитные кольца из фторопласта-4, фторопласта-40, полиамида 610 и капролона необходимы для эластомерных УПС, работающих при р > 15 МПа. Высокая химическая стойкость этих материалов обеспечивает нечувствительность УПС к составу рабочих сред. Относительно низкий модуль упругости и большие допустимые деформации мягких пластмасс (фторопластов и полиамидов) позволяют выполнять уплотнители неразрезными и устанавливать их в неразъемные канавки (см. рис. 3.22). Пластмассовые УПС износостойки, особенно при использовании наполненных композиций пластмасс. При замене чугунных поршневых колец пластмассовыми ресурс компрессоров повышается в несколько раз [58].

что соизмеримо с температурными деформациями при Д9 « 100... 200 °C. 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 = рк0/. Для обеспечения герметичности при р = 0 необходимо Рко = 0,1... 1,0 МПа. При этом учитывают, что в неразрезных кольцах технологические допуски Л£>, температурные деформации Ы)^, износ ДР/ и набухание в среде ДРН изменяют рк0 на Дрк0 = = 2£/т (ДР - ДР8 - ДР, - ДРе)/Р2, где ДРа = (а — ам) Р А9; Д9 = 9/ — 90, 9/ и 92 — температуры при работе и сборке. Чтобы уменьшить Арко в УПС из мягких пластмасс, назначают 100/VP = 1... 5, 100 kD(D < 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 + крр, где кр — коэффициент передачи давления (для манжет кр > 1). 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 Н последних (см. табл. 3.4) по сравнению с фактическим давлением рк (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 pY, которое способствует дополнительной деформации уплотнителя и образованию клинообразных макрозазоров 8, 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 9 = 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, г <0,015 м/с и 9 = -50... ... + 225 °C. Число колец в пакете и > 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 TV = 105, 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 °C. Размеры примерно соответствуют размерам манжет типа 1 по ГОСТ 14896—84. Толщина губки % 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 г < 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 (£>ц = 18... 100 мм) в среде РЖ при р ^ 21 МПа, и < 0,5 м/с, 9 = — 60... 125 °C. Характеризуются двусторонним действием и допускают монтаж в неразъемные канавки. Допускаемые утечки при работе на масле АМГ-10 — не более 50 см3/мин. Усилие страгивания Р/о при и = 1, р = 0 и 9 = = (25 ± 10) °C до 5 Н при D С 40 мм и до 10 Н 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 и ^ 0,5 м/с в среде минеральных масел при р ^ 63 МПа и 9 = —60... 130°C. Допускают монтаж в неразъемные канавки. Габариты колец примерно соответствуют ГОСТ 23817 — 79. После опрессовки и обкатки капельная течь в статике отсутствует. При р = 0 Рр < 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. 4.19,.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 позиционирования.

М ногофункциональные 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 I полость гидроцилиндра 1 соединена с пополнительным баком 11, так как уплотнение 6 поршня 2 отжато от торца канавки

Рис. 4 20. Главный цилиндр гидравлического привода тормозов автомобиля до (1) и после (1Л нажатия педали тормоза:

/ — Iидроцилиндр; 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:

1 • пополнительный бак

Рис. 4.21. Отключаемые эластичные УПС в золотниковых пневмогидрораспределителях: 1 - золотник; 2 — уплотнитель; 3 — корпус; 4 — защитное кольцо

поршня металлическим кольцом 9, упирающимся в винт 10. При нажатии на педаль тормоза толкатель 3 перемещает поршень 2 в положение II, кольцо 9 отходит от винта 10 и пружина 7 прижимает кольцо 6 к торцу канавки поршня 2. Герметичность УПС восстанавливается и полость гидроцилиндра 1 отсекается от бака 11. 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 выдав-

ливание УПС в зазор. Для надежной фиксации в канавках применяют Т- образные кольцу (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. 4.21,6), при отключении выходят в полость с высоким давлением.

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. 4.22,6). Наружный диаметр кольца Иц должен быть больше диаметра цилиндра Dm чтобы при установке колец в результате их деформаций на цилиндрической уплотняемой поверхности создавалось начальное контактное давление р». Поршневые кольца относят к классу контактных уплотнений, элементы структурной схемы которых объединены в одной детали (в том числе силовой в форме кольцевой пружины).

рие. 4.22. Схемы действия сил в контакте поршневого кольца 1 и цилиндра 2рие. 4.22. Схемы действия сил в контакте поршневого кольца 1 и цилиндра 2Вследствие 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 + крр. Герметичность колец неве

рие. 4.22. Схемы действия сил в контакте поршневого кольца 1 и цилиндра 2

рие. 4.22. Схемы действия сил в контакте поршневого кольца 1 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 (Qi) и торцовой (Q2) областям контакта, а также по разрезу (замку). Плотность соединения обеспечивается контактными давлениями рк = рко + + ккр и ркт = /стр, создаваемыми соответственно силами PR и РД (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 Q2 по торцу кольца. Микроканалы в местах «плотного» контакта определяются параметром шероховатости Rz и их размеры достигают размеров зазора (8, % 2 мкм). Размер макрощелей, обусловленных погрешностями формы, 8 як 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 [/ = Н « як (0,3 — 0,4) |/Б] и торцовой [/т % (0,7... ...1)77] областей контакта. Обычно для зеркала цилиндра Ra = 0,16 мкм (Rz = = 0,8 мкм), для наружной поверхности кольца до приработки Ra = 2,5 мкм,

после приработки Ra а 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 $з = В383 при истечении под действием перепада давлений Ар,. Многоступенчатые УПС при этом подобны лабиринтным уплотнениям, в которых лабиринты образованы ступенями I—IV(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]

Рк0~ 7,1РЦ[(ВД- I]3 ’( '

где Е — модуль упругости материала кольца (для чугунов Е = 90... 110 ГПа); Во — деформация по стыку кольца; /т — толщина кольца (см. рис. 4.22, <)).

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/,/D.i)1 и уменьшается под действием противодавления жидкости в зазорах на р/2. Результирующие контактные давления по цилиндрической поверхности и торцу соответственно

Рк1 ~ РкО "Г крф, рк2 — кр2р,

где кР1 = 0,5 (1 — 2/,/D„) % 0,5; кр2 = 0,5 для ламинарного течения жидкости по зазорам и кр < 0,5 для течения газов.

Сила трения Ру в комплекте из п колец определяется удельной силой Pf = Ру/ W'

Pf = nPfo E^kpf^pt; PfXnPf0 + kpflp,

где Pf0 — удельная сила трения при холостом ходе (р = 0, действует рко); ft — коэффициент трения при рр, f=ft, если

ft = 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 Dy и Б по торцу для увеличения противодавления. Уплотняющая часть кольца ограничивается участком I х Гт, подбором соотношений 1/Н и /'г//т можно обеспечить kD х 0,1.

Проектирование поршневых колец и выбор материалов [15, 93, 86, 58 и др.]. При 9 < 450 °C наиболее распространенный материал колец — серый чугун (НВ 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 (Dn = 20... ... 1250 мм, замок прямой или косой, конструкция неразгруженная) предназначены для компрессоров (р < 40 МПа), холодильных компрессоров (с < 5 м/с, 9 < 150 °C) и вакуумных насосов. Ресурс достигает 104 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 температуры (9 < 300 °C) и давления (р < <10 МПа) и переменной скорости (и < <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)

Оц

/т

/

20; 22; 24

1,5

25; 27; 28

1,6

2,0

30; 32; 34; 35

1,7

38; 40; 42; 45

1,7

48; 50

1,8

55

2,0

58

2,3

60

2,4

2,5

62; 65; 67; 70

2,5

75

2,8

80

3,0

82

3,2

85; 90

3,2

95

3,4

100

3,5

3,0

105

3,7

НО; 115

4,0

120; 125

4,3

130; 135

4,5

3,5

140

5,0

145; 150

5,0

155; 160; 165

5,5

4,0

170; 175

6,0

180; 190

6,5

5,0

200

7,0

кольца. Высота колен уменьшена (Н х xO,2]/DB) с целью снижения трения. Герметичность достигается высоким уровнем технологии, обеспечивающей минимальные погрешности формы контактирующих поверхностей. Износостойкие покрытия на поверхности трения обеспечивают ресурс до 104 ч и Lx х 300 000 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.

Поршневые кольца для гидроцилиндров (ОСТ 2 А54—1 — 72) применяют в гидросистемах станкостроения в среде вязких масел (v50 = 15...5O мм2/с) при р^ ^ 15 МПа, г ^ 7,5 м/с, 9 ^ 100 °C [74]. Комплект УПС состоит из двух-девяти

колец с последовательно развернутыми в противоположные стороны разрезами. Кольца изготовляют из чугуна СЧ20 по ГОСТ 1412 — 79 с косым (45 °) разрезом для Пц = 32... 1000 мм. Габариты колец близки к размерам колец по ГОСТ 9515-81.

Глава 5

УПЛОТНЕНИЯ СОЕДИНЕНИЙ ПАР ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ

Основные конструктивные группы

Уплотнения соединений пар вращательного движения (УВ), подразделяют на УВ валов, УВ распределителей гидромашин и УВ поворотных соединений (рис. 5.1).

УВ валов. Условия эксплуатации этих уплотнений характеризуются относительно низким давлением (р < < 1 МПа), высокой скоростью скольжения (г <15...20 м/с), температурным диапазоном 9 =—50...+ 150 °C, высокими требованиями к герметичности [Q < 1,0 мм3/(м ■ с)], которые предопределяют применение только контактных УВ, малой химической агрессивностью и токсичностью рабочих сред. Кроме того, УВ валов должны быть очень компактны и дешевы при ресурсе 1Р = 1000...5000 ч. Этому комплексу требований соответствуют эластомерные

радиальные манжеты с пружинами (рис. 5.2). Распространены также пластмассовые (фторопластовые) кольцевые УВ с пружиной (рис. 5.3, а), торцовые эластомерные УВ (рис. 5.3, б), манжеты с гидродинамическими (маслоотгонными) рельефами на рабочей кромке. Для закрытых подшипников качения изготовляют беспружинные эластомерные радиальные уплотнения (рис. 5.3, г). При повышенных требованиях к ресурсу и скорости скольжения (г ^ 20 м/с) применяют механические торцовые УВ (рис. 5.4), однако они дороже манжет и имеют большие габариты. Радиальные эластомерные беспружинные манжеты применяют также для защиты внутренних полостей объектов от пыли и грязи (см. рис. 5.3,в). Большинство манжетных УВ армируют каркасом. Неармирован- ные манже! ы (см. рис. 5.2,г) применяют, когда в ai pci ате возможен только торцовый способ установки или по условиям

Рис. 5.2. Эластомерные радиальные манжеты с пружинами:

а — армированная; 6 — армированная с пыльником; в — армированная с открытым каркасом; г — неар- мированная: д — армированная с наружной кромкой для уплотнения втулок

монтажа необходимо деформировать манжету. Отличительной особенностью всех типов манжет при большом разнообразии исполнения корпусов является наличие губки с уплотняющей кромкой.

Рис. 5.3. Конструкции УВ:

а — фторопластовое кольцо с пружиной; 6 — торцовая манжета; в — пылегрязезащитная манжета; г — манжета для уплотнения подшипников; д — фторопластовая манжета (/ — вал; 2 — уплотняющий элемент; 2' — грязезащитный элемент; 2” — вспомогательное уплотнение-прокладка; 3 — браслетная нажимная пружина; 4 — корпус агрегата)

Манжетами обычно называют кромочные эластомерные уплотнения, реже — пластмассовые. Возможности уплотнений этой группы ограничены свойствами эластомерного материала: его температурным диапазоном, старением, износостойкостью, совместимостью со средами, поэтому при эксплуатации УВ в неблагоприятных для эластомеров условиях применяют более дорогие и крупногабаритные торцовые уплотнения (см. гл. 8).

УВ распределительных устройств гидромашин. Эти устройства обеспечивают коммутацию РЖ из рабочих камер насосов или гидромоторов в магистрали высокого и низкого давления. Их подразделяют на торцовые (аксиальные) и радиальные. УВ радиальных распределительных устройств являются разновидностью бесконтактных щелевых уплотнений, У В аксиальных распределителей — разновидностью торцовых уплотнений с саморегулируемым зазором. Особенность этих УВ — конструктивное объединение УВ с блоком цилиндров гидромашины, которое обусловливает

23 45/2 3 4 523 45/2 3 4 5с)5)с)5)Рис. 5.4. Торцовые УВ агрегатов автомобилей:и — компрессора; 6 — водяного насоса (/ - неподвижные элементы; 2 — вал; 3 — тор из композиционного материала; 4 — вспомогательное УН; 5 — пружина)Рис. 5.4. Торцовые УВ агрегатов автомобилей:и — компрессора; 6 — водяного насоса (/ - неподвижные элементы; 2 — вал; 3 — тор из композиционного материала; 4 — вспомогательное УН; 5 — пружина)

23 45/2 3 4 5

23 45/2 3 4 5

с)5)

с)5)

Рис. 5.4. Торцовые УВ агрегатов автомобилей:

и — компрессора; 6 — водяного насоса (/ - неподвижные элементы; 2 — вал; 3 — тор из композиционного материала; 4 — вспомогательное УН; 5 — пружина)

Рис. 5.4. Торцовые УВ агрегатов автомобилей:

и — компрессора; 6 — водяного насоса (/ - неподвижные элементы; 2 — вал; 3 — тор из композиционного материала; 4 — вспомогательное УН; 5 — пружина)

Рис. 5.5. Торцовый распределитель насоса а — схематический продольный разрез; 6 — вид торца диска (штриховой линией показано положение окна блока на перемычке в момент коммутации рабочей камеры)Рис. 5.5. Торцовый распределитель насоса а — схематический продольный разрез; 6 — вид торца диска (штриховой линией показано положение окна блока на перемычке в момент коммутации рабочей камеры)

Рис. 5.5. Торцовый распределитель насоса а — схематический продольный разрез; 6 — вид торца диска (штриховой линией показано положение окна блока на перемычке в момент коммутации рабочей камеры)

Рис. 5.5. Торцовый распределитель насоса а — схематический продольный разрез; 6 — вид торца диска (штриховой линией показано положение окна блока на перемычке в момент коммутации рабочей камеры)

действие на УВ очень сложной системы сил.

Условия эксплуатации УВ распределителей отличаются высоким давлением (обычно ртах = 40 МПа; иногда ртах = = 65 МПа), значительной скоростью скольжения (г < 18 м/с) и В =—50... ... + 150°С. Требования к герметичности умеренны, поскольку утечки происходят во внутренние полости машин и используются для смазывания и охлаждения пары трения (обычно Q % 103 мм3/(м ■ с), что соответствует классу негерметичности 5). РЖ обладают хорошими смазочными свойствами, не токсичны и не агрессивны. Основное требование к УВ — обеспечение наработки до (5...20) 103 ч без существенного увеличения утечек. Конструкция торцового распределителя показана на рис. 5.5. В неподвижном опорном диске 1 выполнены серпообразные каналы I и II, по которым РЖ отводится в гидромагистрали. Окна Б вращающегося блока цилиндров 2 последовательно перемещаются из полости I в полость II, проходя перемычку 3, на которой полость А рабочей камеры изолирована от полостей I, II. Утечки РЖ Qy происходят по торцовому зазору 8 между диском и блоком цилиндров. Задача расчета УВ сводится к определению сил, действующих на блок [4]. При этом давление пленки жидкости в зазоре на торец блока должно уравновешивать аксиальную нагрузку на блок и зазор должен быть ограничен (от долей микрометра до 2 мкм). При опре

делении зазора необходимо учитывать деформации торцов блока и диска. Силовые и температурные деформации рассчитывают методом конечных элементов с помощью ЭВМ. Расчеты УВ распределителей отличаются от расчета торцовых уплотнений учетом более сложных конфигураций зазора и баланса сил.

УВ поворотных соединений. Для герметизации подвижных соединений трубопроводных магистралей, допускающих возвратно-вращательное движение элементов трубопровода, применяют эластомерные, пластмассовые, комбинированные кольца (радиальные УВ) или торцовые уплотнения. Пример радиального УВ показан на рис. 5.6, а, на котором зазор между подвижной частью 1 и неподвижной цапфой 3 герметизируется кольцом 2 из фторопласта, поджимаемым к расточке (детали 1) давлением р жидкости в трубопроводе.

Недостатком данного УВ является возможная потеря герметичности при возникновении разрежения в полости (р ^ 0) и в момент запуска после продолжительной остановки. Для обеспечения контактного давления рк > р при любых условиях уплотнение должно иметь силовой элемент. На рис. 5.6,6 показана конструкция УВ, в котором уплотнительный элемент — кольцо 4

Рис. 5.6. УВ поворотного соединения:

а — радиальное с фторопластовым кольцом; 6 - радиальное с эластомерным и фторопластовым кольцами; в — торцовое

Рис. 5 7. Уплотнение ограниченно подвижного соединения трубопроводов:

1 — подвижна* деталь 2 — кольца-уплотнители;

3 — неподвижная деталь

из фторопласта — дополнительно прижимается к контртелу эластомерным кольцом 2. Другим примером УВ этого вида является комплект из двух фторопластовых колец с браслетной пружиной (см. рис. 5.3, а). Торцовое уплотнение трубопроодов (см. рис. 5.6, в) герметизирует соединение между подвижной частью 1 и неподвижной цапфой 3 с помощью кольца 2, поджимаемого давлением р и пружиной 5. Уплотнение рассчитано на высокое давление (50 МПа) и допускает некоторые осевые перемещения и перекосы соединяемых элементов, компенсируемые подвижной вдоль оси втулкой 4 с сферическим торцом [4]. Сопрягаемые поверхности деталей 1, 2 и 4 должны быть тщательно обработаны (погрешность формы менее 1 мкм). Это уплотнение является торцовым, оно рассчитано на высокое давление и малые скорости скольжения. Ограниченно подвижное в нескольких направлениях соединение трубопроводов (осевое перемещение, поворот, скручивание) герметизируют уплотнением, показанным на рис. 5.7. Здесь уплотнителем является эластомерное кольцо. Зазор между сферой и цилиндром, обработка посадочных мест должны соответствовать требованиям подвижных соединений кольцами круглого сечения.

Стандарты и технические условия. Ассортимент стандартизованных манжет (в основном по ГОСТ 8752 — 79), технические условия, требования к сопряженным деталям и пресс-формам приведены в каталоге-справочнике [70]. ГОСТ

8752 — 79 регламентирует резиновые армированные манжеты: однокромочные, тип I (см. рис. 5.2, п) и однокромочные с пыльником, тип II (см. рис. 5.2, б).

Манжеты армированные для автомобилей с открытым металлическим каркасом (см. рис. 5.2, в) и гидродинамическим (маслосгонным) рельефом кромки выпускают по ТУ 38-105185 — 71. По этим ТУ выпускают также манжеты с пыльником (см. рис. 5.2, б).

Уплотнения, встраиваемые в закрытые подшипники качения (см. рис. 5.3, г), выпускают по ТУ 38-105337 — 71 и ТУ 38-105579-73.

Манжеты грязесъемные и пылегрязезащитные (см. рис. 5.3, в) выпускают по нормали ОН-13-250-68.

Зарубежные стандарты на манжеты: BSI 1399 (Великобритания); DIN 3760 (ФРГ); JIS В2402 (Япония); SMS 2290, 2291 (Швеция); SAE J ПОв, J 111в, J 946с, J 1002 (США).

Механизм герметизации и расчет манжетных уплотнений валов

Радиальные манжетные уплотнения с нажимной пружиной (см. рис. 5.2) при перепадах давлений 0,05 — 0,15 МПа являются самым распространенным типом уплотнений валов вследствие простоты и низкой стоимости, малых размеров, достаточной герметизирующей способности и возможности эксплуатации в контакте со многими средами. Эти свойства манжеты определяются удачным воплощением в малогабаритной конструкции преимуществ эластомерного уплотнения и браслетной пружины, которая имеет стабильные во всем температурном диапазоне параметры и не подвержена старению.

Возможности манжетных уплотнений ограничиваются свойствами резины. Прежде всего имеют значение ускоренное старение при высокой температуре и потеря высокоэластичности при низкой, а также механическое стеклование

Рис 5.8. Схема сил. действующих на элемент радиальной манжетыРис 5.8. Схема сил. действующих на элемент радиальной манжетыРис. 5.9. Траектории движения точек кромки манжетыРис. 5.9. Траектории движения точек кромки манжетыпри больших частотах вращения. Отсюда следуют требования к ограничению температуры нагрева кромки и ее тщательному анализу, ограничению радиального биения валов и высокому качеству их обработки. Необходимо также анализировать возможности потери герметичности при низкой температуре и большой частоте вращения.

Рис 5.8. Схема сил. действующих на элемент радиальной манжеты

Рис 5.8. Схема сил. действующих на элемент радиальной манжеты

Рис. 5.9. Траектории движения точек кромки манжеты

Рис. 5.9. Траектории движения точек кромки манжеты

Допустимый температурный диапазон работы манжеты зависит от типа резины [70]. Манжеты из резины 1-й группы (например, 7-ИРП-1068-Зс на основе СКН-26) применяют для герметизации масел при 9 — — 45... + 120°С и г< < 10 м/с. Если в масле происходит повышенное набухание резины 1-й группы, применяют резину 2-й группы на основе СКН-40 при 9= —30...+ 120°C; время работы при 9 > 100 °C должно быть ограничено несколькими часами. Резины 3-й группы на основе СКН-18 или комбинации СКН-18 и СКН-26 (например, 7-В-14-1) наиболее морозостойки. Резины 4-й группы на основе СКФ-32 (ИРП-1314-1) стойки во многих синтетических жидкостях и предназначены для работы при 9 = —45... + 150 °C и г < 20 м/с. Резины 5-й группы на основе наиболее теплостойкого каучука СКФ-26 (ИРП-1287, ИРП-1316) предназначены в основном для манжет, работающих в контакте с хлорированными углеводородами при 9 = —25... +175 °C и г < <35 м/с.

Схема сил, действующих на элемент манжеты, показана на рис. 5.8, а. С валом контактирует узкая кромка губки манжеты, на которой создается (в основном пружиной) необходимое для герметизации контактное давление рк = pt = = 1,5...3,0 МПа. Под действием гидродинамических процессов на этой кромке возникает тонкая пленка смазочного материала, характерная для полужид- костной смазки.

В манжетах с нажимной пружиной давление рк можно изменять в необходимых пределах, регулируя усилие пружины перед установкой манжеты. При неподвижном вале механизм уплотнительного действия этих манжет аналогичен механизму эластомерных УН. Материал кромки под действием давления рк заполняет все поверхностные микронеровности вала, что предотвращает утечку. При вращении вала каждая точка уплотняющей поверхности кромки должна совершать радиальные перемещения для восстановления контакта с валом, сопряженные точки поверхности которого кроме основного движения по окружности совершают радиальные перемещения вследствие биений. Силы трения и адгезии увлекают участки кромки в направлении вращения. В результате этого точки уплотняющей кромки совершают сложные движения, траектории которых в режиме сохранения герметичности близки к элипсам (на рис. 5.9, а показаны результаты экспе-

Таблица 5.1

Предельное радиальное биение 2ед и песо- осность посадочного места относительно оси вала Е, для армированных манжет

Диаметр вала, мм

мм

Частота вращения, мин 1

Эс

ММ

До 80

0,12

До 500

0.20

80...150

0,15

500... 1500

0,15

150...360

0,20

2000...3000

0,12*

1500...4000

0,08

360...500

0.25

Св. 5000

0.02*

* По рекомендациям работы [70].

риментов [67]). Движение от центра происходит вследствие возмущающего воздействия поверхности вала со скоростью набегания неровности поверхности. Движение к центру и против вращения происходит под действием упругих и высокоэластических напряжений со скоростью восстановления формы материала. На каждый элемент кромки действуют также силы инерции, возникающие при рассматриваемых движениях. При частоте вращения, выше предельной, кромка отрывается от вала — траектории меняются (рис. 5.9, б). Увеличение инерционных сил при значительном динамическом эксцентриситете также вызывает местный или полный отрыв кромки от вала, в результате чего появляются утечки. Допустимые отклонения формы вала указаны в табл. 5.1. Таким образом, появление утечек определяется отклонениями от круглости поверхности вала, частотой вращения и скоростью скольжения, динамическим ед и статическим ес эксцентриситетом, свойствами резины (скоростью восстановления формы, коэффициентом трения), свойствами жидкости, погрешностями установки манжеты. Такая система связей крайне усложняет аналитическое исследование процессов в кромке.

Важной причиной утечек через манжетные уплотнения является наличие статического и динамического эксцентриси-

Рис. 5.10. Области герметичности Г и малых утечек У в зависимости от динамического эксцентриситета и частоты вращения

тетов вала. Первый обусловливает неравномерность распределения давления рк по окружности кромки, второй — радиальные перемещения точек уплотняющей кромки при вращении вала. При наличии динамического эксцентриситета Ед поверхность вала совершает радиальные перемещения (биение) Аг = = ед sin tot, где to = 2ли/60; п — частота вращения, мин-1. Чтобы кромка уплотнения не отставала от вала, ее поверхность должна восстанавливать форму со скоростью гв > гд = ЕдЮ. Фактически при температуре несколько выше температуры стеклования влияние релаксации резины проявляется уже при уд > 0,1 м/с. При температуре, приближающейся к температуре стеклования резины ( — 35... ... — 40 °C), релаксационные процессы резины интенсифицируются, а скорость восстанавливаемости значительно уменьшается. Кроме того, биение вала вызывает появление инерционных сил в кромке, пропорциональных ускорению j = Ед®2, и снижение контактного давления. В результате совместного влияния релаксационных и инерционных воздействий на кромку при некотором сочетании ед и и происходит разуплотнение вала (рис. 5.10 и 5.11).

Одной из существенных причин негерметичности манжет является непер- пендикулярность (у) уплотняющей кромки к оси вала. Поверхность вала на его передней половине движется относительно перекошенной кромки так, что пленка жидкости увлекается валом из

Рис. 5.11. Зависимость утечек керосина от частоты вращения при ед = 0,1 мм, Др = = 0,1 МПа и 9 = 25°

Рис. 5.12. Профиль сечения уплотнения (а)

и схемы выноса пленки при перекосе манжеты (б, в)

зазора наружу (рис. 5.12, б, в). На обратной половине вала пленка засасывается валом под кромку манжеты. Вследствие разности толщин 8j и 82 пленок возникают утечки. Таким образом, утечки через манжетное уплотнение можно рассчитать по уравнению (1.40), где L= = nDn/60, В = D tg у:

„ п ДА Q = nD2—tgy—.

Для вычисления ДА необходимо составить уравнение, аналогичное уравнению (1.41), в котором производные (dpJdx)L2, взятые в направлении движения поверхности вала, зависят от профиля сечения кромки манжеты (от углов Pj и р2, рис. 5.12, а). При определении ДА следует учитывать сильное влияние на рк перепада давлений Др. Подставив в уравнение (1.41) ДА = F (р, г, р,...'), объединив все параметры, кроме р, v, р, в функцию Ч*в и введя характерный размер губки d', получим уравнение

Q = W^Dod' j/pv/p^', (5.1)

устанавливающее принципиальную зависимость утечек, обусловленных перекосом, манжеты, от параметров режима.

Основные расчетные соотношения.

На элемент уплотняющей губки (см. рис. 5.8) действуют следующие составляющие удельной силы контакта: — от растяжения губки (манжеты); РИ — от изгиба _губки вследствие эксцентриситета ес; Рп — от растяжения пружины;

Рр — от давления жидкости и среды на профиль губки. Результирующее удельное^ контактное усилие Р = Рм + РИ + + Л, + Рр-

Среднее контактное давление на кромке

рк = Р/а = рм + Р„ + Рп + рр, (5.2)

где а — ширина контактной поверхности; рм, Рм, Рп, Рр — составляющие контакт- ного_ давления соответственно от сил Р Р Р Р

1 М, 1 И, 1 п, 1 р.

Профиль кривой распределения контактного давления рк определяется формой кромки, положением плоскости пружины (размером Д/), внутренним р или внешним рс давлениями среды (см. рис. 5.8, в). Обычно применяют коническую кромку с углом конуса р = = 15...25° (см. рис. 5.8, б), при этом смещение Д/=0,5... 1,0 мм. В этом случае эпюра давления имеет форму треугольника со скругленной вершиной (pmax а а 1,8 рк\ Экспериментальное определение начальной ширины а контактной поверхности затруднительно, а в процессе работы невозможно, поэтому в качестве основного параметра манжеты удобнее принимать удельное усилие Р на кромке. Ширина а зависит от твердости резины и радиуса скругления кромки. При р = = Рс = 0 Для резин с IRHD 80—85 а0 = = 0,15...0,3 мм. В течение первых десятков часов работы манжеты ширина а увеличивается до 0,4 —0,8 мм, после чего остается постоянной. При повышении

давления в полости ширина а увеличивается ориентировочно в соответ- ствии с формулой а = а0 + Ьр, где «о — начальная ширина, мм; b — коэффициент, мм3/Н (для манжет с конической кромкой при р = 18... 20° b % ж 2 мм3/Н при р < 0,2 МПа и 6 « 4 мм3/Н при р > 0,2 МПа).

Основные проектные размеры манжеты и пружины (рис. 5.13): D, D„ В — габаритные, регламентируемые стандартами; $,, s2, s3, Da — технологические; /к, s, a, Do, Dt, Dm dB, ADn, AD — расчетные.

В общем случае на манжету действуют внутреннее давление рабочей среды р и внешнее давление рс, которые ориентировочно создают на уплотняющей кромке удельное усилие (см. рис. 5.8, б, в)

Рр = 0,5 (р - рс) I + ра +

+ 0,5рй? [1 - (Рс/р)(^2/^!)2]Д

Точное определение Рр связано с решением весьма сложной задачи теории упругости [67].

Зависимость контактного давления рк от р и Ар = р — рс (обратная связь по давлению) в манжетных уплотнениях выражена очень сильно, так как давления р и рс действуют на всю поверхность губки манжеты шириной /, а давление рк только на узкую кромку шириной а = 0,2...0,8 мм. Приближенное выражение для оценки контактного давления имеет вид рк = рк0 + крр, где рк0 =0,7... ...1,5 МПа; кр = 10...5 (уменьшается с

увеличением р). Увеличение р даже до 0,5 МПа вызывает значительное увеличение рк, момента трения, температуры и износа кромки, а также возможное разрушение губки от скручивания. Стандартные манжеты рекомендуется эксплуатировать при р < 0,05 МПа. При повышенных давлениях следует применять опорный конус (рис. 5.14, а), манжеты специальной усиленной конструкции или уплотнения с опорным конусом из фторопласта (рис. 5.14, 6). В конструкциях манжеты с опорным конусом уменьшена поверхность губки, находящейся под действием Др. Допустимый перепад давлений Др и наработку манжет с опорным конусом необходимо уточнять при испытаниях. Ориентировочно допускают эксплуатацию манжет при

Рис. 5.14. Уплотнения, применяемые при повышенном давлении среды:

а — стандартная манжета с опорным конусом (р < 0,3 МПа); б — манжета фирмы «Крейн пей- кинг» (р < 3,5 МПа); в — уплотнение с конусом из фторопласта фирмы «Манвил» (р < 2,1 МПа) [99, 104] (/ — вал; 2 — манжета; 3 — опорный конус; 4 — корпус)

Др < 0,2 МПа, специальных конструкций (рис. 5.14, б, в) — до 3,5 МПа [104].

Расчет элементов кромки манжеты и пружины. Удельное усилие от браслетной пружины является основной составляющей общего усилия Р, определяющего герметичность при малом износе кромки манжеты. Упругие свойства резиновой кромки в пропессе эксплуатации ухудшаются вследствие старения — составляющая усилия Рм (давление рм) постепенно уменьшается. Поэтому влияние составляющих Рм и РИ необходимо по возможности уменьшать. При концентричной установке манжеты относительно вала губка деформируется подобно тонкостенной трубке, на которую по уплотняющей кромке действует равномерно распределенное усилие Рм (см. рис. 5.8). Если считать, что основной составляющей напряжения от растяжения кромки является постоянное напряжение с — ЕДО/D, то Рм = 2Е$ДВ/В2, где Е — равновесный модуль растяжения резины, Па; $ — площадь сечения кромки по кольцу длиной 0,7 /, м2; ДО = D — — Do — удлинение кромки в диаметральном направлении, м (см. рис. ^.13). По более точным расчетам Рм + РИ увеличивается на 5—10% £86]. Долю Рм в удельном усилии Р целесообразно уменьшать, назначая минимально необходимое значение AD.

Статический эксцентриситет ес оси кромки манжеты относительно оси вала обусловлен неточностью изготовления деталей (рис. 5.13, а, б). Наличие эксцентриситета £с приводит к неравномерному распределению рк по периметру кромки и ее изгибу. Удельное усилие от смещения кромки при установке уценивают по формуле (см. рис. 5.13) РИ = = ДКсЕ$3/412. где s — толщина губки; АКе — смещение кромки.

Удельное усилие от браслетной пружины Рп. Пружина при монтаже растягивается на ADU = Dt — Dn (см. рис. 5.13). Давление витков пружины на губку манжеты передается на контактную поверхность. Для стабильности Рп плоскость пружины смещена относительно плоскости

кромки на А/ = 0,5...1 мм. Усилие Рп, Н/м, связано с силой растяжения пружины Ро Н, соотношением Рп = 2APJD, где А — коэффициент, учитывающий расположение пружины относительно кромки (при А/// < 0,1 А = 0,9...!); Рс = Ло А с ДЕ; с — жесткость пружины, Н/м; ДЕ — удлинение пружины (AL = = л ADJ, м. Начальное усилие пружины. Рс0, Н, обусловленное напряжениями, возникающими при ее навивке, находят по эмпирической формуле Рс0 = = жрт^’/З^и, гле Ф и а — экспериментальные коэффициенты (для неотпущен- ных пружин ф = 25...33, для пружин, прошедших после навивки отпуск, ф = = 7...10; при <£,/</„ = 4 а = 1,3; при Л/^п = 4,5 а = 1,35; при с/в/Дп =5 а = = 1,4); т — предельно допустимое тангенциальное напряжение, Па; Jn — диаметр проволоки, м; dB — внутренний диаметр пружины, м.

Жесткость пружины с = Gd*№id3B\ где G — модуль сдвига материала пружины, Па (для стальной проволоки G = = 80 ГПа); i — отношение длины Ео пружины в свободном состоянии к диаметру проволоки dn.

При удлинении пружины на AL возникает усилие

Р-Р с ДЕ- Gd^L-1^ (5 31

Рс Р^-сДЕ- ^. (5.3)

Длина пружины в свободном состоянии Ео = К„Е, где Кп — коэффициент, учитывающий конструктивные параметры, входящие в уравнение (5.3). Практически Lo = 0,88... 0,93, поэтому расчеты начинают, принимая Кп = 0,9, тогда Ео = 0,9 L, где Е = к (Dj + AD + dn).

Пружины для манжет по ГОСТ 8752 — 79 и ОСТ 23.1-77 — 71 выпускают по ОСТ 23.1-79 — 71 из стальной углеродистой пружинной проволоки. Допускается изготовлять пружины с защитным покрытием или из коррозионностойкого материала с теми же диаметром Dn и усилиями Рс и Рс0. Конструкция замка пружины показана на рис. 5.13, г.

Рис. S.15. Удельные усилия в манжетах, предназначенных для валов различных диаметров:

1 — экспериментально установленные: 2 — заданные документацией

Пружины с одинаковыми параметрами (d„ dB, замок), отличающиеся только длиной L, применяют для манжет с D в определенном интервале. В этом случае Рс = const и Рп уменьшается с увеличением D (рис. 5.15).

Обеспечение герметичности. Допуски на изготовление манжеты и пружины велики, а оптимальное удельное усилие Р, обеспечивающее герметичность и малый износ, ограничено узким интервалом, поэтому при изготовлении и комплектации партии манжет целесообразно проверять удельное усилие Р и при необходимости^ корректировать параметры пружины Р„ Рс, изменяя £>п и Lo. При этом ресурс УВ увеличивается в 2 — 3 раза. На рис. 5.16, а—в показаны типичные графики утечки манжеты при длительной работе и распределение партии манжет по классам негерметичности.

Практически установлено, что для обеспечения герметичности необходимо

удельное усилие Р > 2 Н/см, при котором масло просачивается без каплеоб- разования (2—1 класс негерметичности) или по 3 — 5 капель в час (класс 2 — 2). Обычно агрегаты с утечками более 0,1 см3/ч (для манжет диаметром до 50 мм) возвращают в цех для замены манжет. Таким образом, в производственных условиях жестким требованиям по герметичности в начальный период (2—2 класс) могут соответствовать до 90 % манжетных уплотнений. При удельных усилиях Р > 4 Н/см не обеспечивается достаточного смазывания уплотняющей кромки при работе манжет, что создает условия трения без смазочного материала и приводит к увеличению температуры и износа. Значение Р уточняют экспериментально для конкретных случаев; оно может составлять 1 — 6 Н/см, но наиболее благоприятный интервал 2,5 — 5 Н/см при D < 30 мм, 1,8 — 3 Н/см при D = 3O...8O мм и 1,5—2,5 Н/см при D > 80 мм (см. рис. 5.15).

Большое влияние на герметичность оказывает загрязнение рабочей жидкости и состояние поверхности вала. Наблюдаемые при длительной работе манжеты периодические увеличения утечек (см. рис. 5.16,а) объясняются попаданием загрязнений в область контакта и образованием в ней продуктов изнашивания. После самопроизвольного удаления загрязнений в процессе работы утечки достигают прежнего уровня. Установ-

Ч, см3/ч

0,2 -

0,1 "

О

Q, см3/ч

0,2 -

0,1 -

О

1000

2000

3000

1000

а)

Р=1,67Н/см

В=35 мм

4000 t,4

Р = 1,60 Н/см

В-70 мм

2000" 3000

6)

4000 t,4

2-1 2-2 3-1 3-2

6)

Рис. 5.16. Типичные i рафики утечки масла через манжетное уплотнение при длительной работе (а, о) и распределение партии уплотнений по степени герметичности (в): 2—1. 5 - ’--классы негерметичности

лено, что в зазор проникают преимущественно мелкие твердые частицы загрязнений размером до 1 — 2 мкм, более крупные частицы задерживаются у края кромки [35]. Процесс вовлечения частиц в зону контакта кромки резко интенсифицируется при биениях вала и неправильной геометрии его поверхности, вызывающих отрыв кромки манжеты от вала. Обычно манжеты при негерметичности класса 2—1 имеют периодические «выбросы» утечек, соответствующие негерметичности класса 2—2.

При низких температурах, близких к температуре механического стеклования Эм с, часто наблюдаются утечки в момент запуска. При 9МС вследствие потери эластичности резины кромка губки теряет способность отслеживать биения вала и погрешности его формы. После разогрева губки в результате потерь на трение ее эластичность восстанавливается и утечки прекращаются. Запуск при 9 < 9М с, больших ед и плохой геометрии вала может вызвать разрушение (растрескивание) кромки и непрекращаю- щиеся утечки, соответствующие классу 3 — 2 негерметичности.

Отклонения формы поверхности вала от идельной, которые характеризуются амплитудой и числом волн, оказывают большое влияние на качество уплотнения. В зависимости от длины волны различают следующие отклонения формы: шероховатость, волнистость и некруглость. Расстояние между выступами шероховатости во много раз меньше, чем между выступами волнистости (см. подразд. 3.1). Принято относить к отклонениям от круглости отклонения с малым числом волн на периметре окружности вала, значительно превышающие высоту шероховатости. Обычно шероховатость определяют в направлении оси вала. Этот критерий недостаточно хорош для оценки геометрии вала под уплотнением, так как работоспособность уплотнения определяется геометрией поверхности по окружности. Характер неровностей сильно зависит от способа и направления обработки, поэтому валы с одинако

выми параметрами шероховатости, измеренными вдоль оси, могут совершенно по-разному влиять на работу уплотнений. Все виды обработки поверхности вала, приводящие к образованию винтовых углублений или выступов, способствуют ухудшению герметичности вследствие насосного эффекта, сопровождающегося засасыванием жидкости или воздуха. Чтобы избежать этого, для нереверсивных валов иногда указывают желаемое направление следов обработки на чертежах изделия. Для валов всех видов (особенно для реверсивных) рекомендуется обрабатывать поверхности врезным шлифованием, при котором образуются изолированные впадины вдоль окружности. При шлифовании с продольной подачей эти впадины направлены под углом к оси, по винтовой линии. То же наблюдается при точении и ручной обработке шкуркой.

Рекомендуется обрабатывать валы в местах контакта с манжетами, обеспечивая Ra = 0,32...0,63 мкм при v < 5 м/с и Ra = 0,16...0,32 мкм при г>5 м/с. Только для тихоходных валов назначают Ra = 1,25...2,5 мкм [70].

Рис. 5.17. Геометрия поверхности вала (а, в) и втулки (б, г) после обработки (а, б) и после установки в агрегат (в, г)

Кроме следов обработки, на состояние поверхности вала влияют различные монтажные деформации. Так, начальные отклонения поверхностей вала и втулки резко увеличиваются при установке в агрегат (рис. 5.17) вследствие деформаций при затяжке болтов фланца. В связи с этим, анализируя условия работы уплотнения, необходимо предусмотреть возможность искажения поверхности вала вследствие различных деформаций. Установлено, что при частоте вращения 1000 — 3000 мин-1 допустимы отклонения формы до 5 мкм. При больших отклонениях утечки резко увеличиваются.

Твердость и материал поверхности вала. Валы изготовляют из термообработанной стали с твердостью не менее HRC 30, предпочтительнее HRC 45, при наличии в средах абразивного вещества HRC 55 [70]. Для манжет по ГОСТ 8752 — 79 рекомендуется твердость валов HRC 30 при скорости скольжения г < 4 м/с и HRC 50 при v > 4 м/с. При агрессивных рабочей или окружающей средах применяют валы из коррозионно-стойкой стали (HRC 55). Применение относительно мягких материалов (бронз, латуней, титановых и алюминиевых сплавов) допускается в необычных условиях после специальных испытаний.

Принцип действия манжет активного типа основан на гидродинамических эффектах в кромке. В этих конструкциях (рис. 5.18) реализуется идея принудительной организации жидкостной пленки в зоне контакта — насосный эффект при вращении вала. Уплотнение с «микрошнеком» на вращающемся валу 1 (см. рис. 5.18, а) подобно винтовому насосу, отгоняющему просочившееся через кромку масло во внутреннюю полость. При вращении вала между кромкой манжеты и его поверхностью создаются гидродинамические микроклинья, обеспечивающие гарантированную смазочную пленку. Одновременно из внешней среды в агрегат может насасываться воздух, пыль и влага. Уплотнение предназначено для валов, вращающихся в одном направлении.

На рис. 5.18, б показана манжета активного типа, имеющая на губке профилированные выступы (гидродинамические насечки). При вращении вала 1 просочившаяся через кромку жидкость попадает в полости С между поверхностями губки и вала, создавая в соответствии с гидродинамикой вязкой жидкости (см. подразд. 1.2) смазочную пленку под кромкой, отвод масла к кромке манжеты. Одновременно возможен подсос воздуха, пыли и влаги из

Рис. 5.18. Манжетные уплотнения активного типа:

а — с микрошнеком на валу; б — с выступами на кромке (отдельно показаны профиль сечения): в, г — отпечаток кромки манжеты активного типа для валов двустороннего вращения

внешней среды в агрегат. Рассматриваемые манжеты наиболее широко распространены в автомобильных агрегатах. Их выпускают по ТУ 38-105185 — 71 или чертежам [70], применяют при одностороннем вращении вала (и > 2000 мин-1) и отсутствии избыточного давления в корпусе агрегата при защите манжеты от пыли и грязи со стороны внешней среды. По сравнению с обычными манжетами имеют повышенный ресурс и пониженные температуры кромки (около 30 °C для резин на основе СКН). В узлах с недостаточным смазыванием при г > 10 м/с рекомендуется применять манжеты из резин на основе СКФ или акрилатного каучука. Активные манжеты изготовляют в стандартных пресс-формах со специальными сердечниками, на поверхности которых в области губки выполнен обратный рельеф ее профиля под углом 50° к оси (см. рис. 5.18, в). Для нанесения рельефа используют ролик-накатку с обратным по отношению к манжете направлением много- заходной винтовой нарезки.

Рассмотренный эффект смазки кромки при неперпендикулярном к оси положении ее плоскости (см. рис. 5.12) в зарубежной практике используют для искусственного наклона кромки в виде замкнутой винтовой линии с несколькими амплитудами — манжеты с волновой кромкой [103].

Пресс-форма для изготовления манжет с винтовой кромкой отличается от обычной только сердечником.

В манжетах для валов двустороннего вращения (см. рис. 5.18, г) утечки, просочившиеся через кромку 2, попадают в полость С, отгоняются ребрами обратно к кромке и создают в полости С гидродинамическую опору [98, 103]. При изменении направления вращения и достижении достаточной скорости скольжения аналогичный эффект возникает в полостях С. Для развития гидродинамического эффекта важно произведение вязкости ц на скорость скольжения г, поэтому он проявляется при п > > 2000 мин-1.

Тепловой расчет манжетных уплотнений

Мощность трения Nf, Вт, вследствие малой утечки через уплотнение практически равна тепловыделению Qj в зоне _контакта: Nf = Qf = Mf® = = О,5л/РР2о), где Mf — момент трения, Нм; со — угловая скорость вала, рад/с.

При расчете температуры на поверхности контакта манжеты и вала исходят из предположения, что распределение тепловых потоков из зоны контакта в вал QB и манжету QM определяется уравнениями

Of = Qb + QM ~ &: Св = XBQy/(X„ + X„), (5-4)

где Хв и Хм — теплопроводности материалов вала и манжеты [для стали 40 Хв = 50 Вт/(м ■ °C); для резины Хм = = Хр = 0,23... 0,27 Вт/(м • °C)].'

Из выражения (5.4) следует, что в манжетном уплотнении вала основной теплоотвод происходит через вал. В стационарном состоянии, когда температура в каждой точке во времени не меняется, температура в сечении вала под кромкой манжеты составляет 9у. От поверхности вала теплота отводится с одной стороны (длиной ^ в рабочую жидкость с температурой 9, с другой (длиной Lb2) — в воздух с температурой 90 (рис. 5.19). Температура 9У в зоне контакта зависит от длины вала. На расстоянии Lt от зоны контакта температура вала практически равна 9. Эта минимальная длина теплоотдающей части определяется тепловой характеристикой вала m:Lt > 2,5/m1;L2 > 2,5/m2. В зоне контакта температура повышается до 9у в соответствии с уравнениями

Д8 =161.

у1 mD2XBm1th ^ть L2) ’

Л8у2 nDiXBm2th (m2, L2)'^'^

Рис. 5.19. Схема распределения тепловых по токов в манжетном уплотненииРис. 5.19. Схема распределения тепловых по токов в манжетном уплотненииРис. 5.20 Зависимости критерия Био от критерия РейнольдсаРис. 5.20 Зависимости критерия Био от критерия Рейнольдса

Рис. 5.19. Схема распределения тепловых по токов в манжетном уплотнении

Рис. 5.19. Схема распределения тепловых по токов в манжетном уплотнении

Рис. 5.20 Зависимости критерия Био от критерия Рейнольдса

Рис. 5.20 Зависимости критерия Био от критерия Рейнольдса

пуса по уравнениям (5.4) и уравнению Qf = Qi + Qz:

Qi=Qf! 1 +Qi=Qf! 1 +. (5.8). (5.8)

Qi=Qf! 1 +

Qi=Qf! 1 +

. (5.8)

. (5.8)

Здесь Qi и Q2 — тепловые потоки от вала соответственно в рабочую жидкость и в воздух, Вт; mt и т2 — тепловые характеристики вала, м-1:

«1 = У^а-ЖРУ, т2 = [^ 1 ' ’

где «! и а2 — коэффициенты теплоотдачи от вала к среде, Вт/(м2 • °C); D и D2 — диаметры вала, м.

Коэффициент теплоотдачи от вала в окружающую среду определяют экспериментально с последующим обобщением результатов введением безразмерных критериев. Конвективный теплообмен между поверхностью и средой оценивают критерием Био Bi:

а = BiX^/D, (5.7)

где Хж — теплопроводность жидкости или газа [для масел типа МГЕ-10 Хж = 0,1; для воздуха Хж = Хо = 0,026 Вт/ /(м-°С)].

Критерий Bi является функцией критериев Рейнольдса Re и Прандтля Рг, удельной теплоемкости ср и плотности р окружающей среды. Для манжетного уплотнения сложную зависимость Bi = = F (Re, Рг, ср, р) можно представить графически (рис. 5.20), что существенно упрощает расчеты. Определив из уравнения (5.7) коэффициенты а( и а2, оценим тепловые потоки наружу и внутрь кор-

т2 th (m2, L2)mx th(mb LJ

В гидромашинах фактическая длина вала Lb! и L^ обычно превышает длину минимальной теплоотдающей части (соответственно Lv и Ь2\ поэтому величину th (m2, L^ « th (mt, LJ як 1 (рис. 5.21) можно не учитывать в расчете. Кроме того, mt > т2 и можно ограничиться определением теплового потока во внутреннюю полость, заполненную жидкостью. Из уравнений (5.6) и (5.7) следует: Qi = Qz/(1 + |/oc2/oci)-

Подставив в уравнение (5.5) значения пн и at из (5.6) и Qt из (5.8), получим весьма простую формулу для ориентировочного подсчета температуры, °C, в зоне контакта манжеты с валом

А9У = (5.9)

VKK ]/В1

где Pf = fP — удельная сила трения, Н/м; v — скорость скольжения, м/с;

Рис. 5.21. Зависимость величины th л от тепловой характеристики и длины вала

Рис. 5.22. Зависимость коэффициента трения манжетного уплотнения (D = 50 мм) от скорости скольжения при различных температурах и Р = 2 Н/см для масла АУ

Bi — критерий Био, определяемый графически (см. рис. 5.20).

Для валов из конструкционной стали и масел типа АМГ-10 /х„Хж ® 2,2 Вт/ /(м ■ °C), для валов из коррозионно-стойкой стали типа 20X13 — 1,6 Вт/(м-°С).

Удельная сила трения для манжет с разными параметрами изменяется в сравнительно узких пределах. Например, для манжет из резины на основе СКН-26 при давлении в корпусе 0—0,1 МПа и 9 = 50 °C получено [35]:

Лмм . ... 203560100

Pj, Н/см . . 2-2,5 1,5-2 0,8-1 0,8-1

Характер изменения коэффициента трения манжет при увеличении скорости скольжения показан на рис. 5.22.

Для нестационарного температурного режима характерно экспоненциальное повышение температуры в месте контакта вала площадью S от начального 9 до 9у в соответствии с уравнением

AS = 9У - 9 = [ef/(^fS)] (1 - е-"'),

где KF — обобщенный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 • °C).

Постоянная времени нагрева т для манжетного уплотнения

= с„рРБг + Б2

4 (Bit^Xx/Di) + (Bi2L2X0/D2) где св — удельная теплоемкость материала вала, Дж/(кг-°С); р — плотность материала вала, кг/м3; Хо — теплопроводность воздуха, Вт/(м • °C).

Для часто встречающихся соотношений между диаметром вала D и длинами его сторон L^, (Lbi > 3D, Lb2 ^ SD) можно получить простую формулу, оценивающую время ty, мин, нагрева вала до установившейся температуры. Так как 1У « 4т и Bi t « Bi2, то, подставив в выражение для т удельную теплоемкость конструкционной стали св = 460 Дж/ /(кг • °C), теплопроводность масла Хж = = 0,1 Вт/(м • °C), плотность стали р = = 8 • 103 кг/м3 и D в см, получим

ty = 100 £>2/Bi.

Пример. Манжета на вал диаметром D = 7,6 см; Ру = 1 Н/см; п = 1000 — 3000 — —4000 мин , масло вязкостью v100 = = 0,1 см2/с Хж = 0,1 Вт/(м • °C); внешняя среда — воздух [Хо = 0,026 Вт/(м • °C); 80 = = 40°C; 8= 100 °C]. Определить температуру 8, в зоне контакта и время нагрева Г, до установившегося состояния.

Порядок расчета соответственно при п: 1000 3000 4000 мин-1

y = KDnf60 400 1200 1600 см/с

Re = vDjv 3-104 9104 1,2105

Bi (/Bi) (см. рис. 5.20) 100(10)225(15) 275(16,5) 4) А8, = ,£Z_. . 20 40 45 °C

1/ХжХв )/Bi

Эу = 8 + Д8У 120140 145 °C

100

ty = ~^D2 5826 21 мин

Результаты расчета показаны на рис. 5.23. Там же нанесены экспериментально полученные точки [101]. Для обеспечения длительной работоспособности манжеты необходимо выбрать резину на основе СКФ.

Рис. 5.23. Зависимость температуры в зоне контакта от частоты вращения вала

Резиновые а миронанные манжеты для валов

Резиновые армированные манжеты изготовляют по ГОСТ 8752 — 79, ОСТ 23.1-77-71, ОСТ 23.1-78-71, ОСТ 23.1-79-71, ТУ 38-105185-71, ТУ 38-105437—72 и др., а также по технической документации (чертежам) потребителей.

Большинство манжет изготовляют по ГОСТ 8752 — 79: тип I — однокромочные (рис. 5.24, а), тип II — однокромочные с пыльником (рис. 5.24, б). Каждый тип имеет два исполнения: с рабочей кромкой, полученной механической обработкой; формованной рабочей кромкой. Армированные манжеты исполняют с маслоотгонными (гидродинамическими) рельефами [70]. По ГОСТ 8752-79 или ТУ 38-105437-72 и чертежам выпускают также манжеты с двумя браслетными пружинами (рис. 5.24, в) для среды минеральных масел при 9 = —50...+ 100°C.

Манжеты по ГОСТ 8752 — 79 эксплуатируют при р ^ 0,05 МПа.

Рабочая среда и температурный режим эксплуатации определяются группой резины (см. подразд. 5.2 и 2.2 и табл. 5.2). Большинство резин для манжет изготовляют из полярных каучуков (СКП и СКФ). Они предназначены пре-

нн

Рис. 5.24. Армированные манжеты для валов: а — типа I; б — типа II; в — с двумя браслетными пружинами

имущественно для работы в среде нефтяного происхождения. Для синтетических РЖ применяют резины на основе СКФ, для воды — на основе СКН. В ограниченных объемах для специфических сред применяют резины на основе СКЭП и других каучуков [70]:

СКН . . .7-ИРП-1068-ЗС; 7-ИРП-1068-24; 51-1455; 7-4004-112; 7-4004-4М; 7-В-14-1; 51-1666-1; 51-1666

СКФ . . .ИРП-1314-1; ИРП-1316;

ИРП-1287; 51-1435

СКТВ и

СКТФ. . .ИРП-1401; ИРП-1682 акрилатного 2800

Среда9тах, °с, для резин групп (на основе)ЦСКН)2(СКН)З(СКН)4(СКФ)5(СКФ)6(СКТВ)Минеральные моторные масла100100100150170150Трансмиссионные масла100100100150170130Гипоидные масла808080150150130Соляровые масла909090150СГСГНефтяные ПСМ909090100СГСГДизельные топливаНСГН150нСГХлорированные углеводороды—н——90—Вода (питьевая, техническая, мор-—СГ——НСГская)Тормозные жидкости—н——СГСГНижний предел 9Ь °C-45-30-60-45-20-55Среда9тах, °с, для резин групп (на основе)ЦСКН)2(СКН)З(СКН)4(СКФ)5(СКФ)6(СКТВ)Минеральные моторные масла100100100150170150Трансмиссионные масла100100100150170130Гипоидные масла808080150150130Соляровые масла909090150СГСГНефтяные ПСМ909090100СГСГДизельные топливаНСГН150нСГХлорированные углеводороды—н——90—Вода (питьевая, техническая, мор-—СГ——НСГская)Тормозные жидкости—н——СГСГНижний предел 9Ь °C-45-30-60-45-20-55Таблица 5.2Таблица 5.2Условия эксплуатации резиновых армированных манжет [70]Условия эксплуатации резиновых армированных манжет [70]Примечание. СГ — необходимо согласование; Н — резина не совместима со средой.Примечание. СГ — необходимо согласование; Н — резина не совместима со средой.7 Под ред. А. И. Голубева и Л. А. Кондакова7 Под ред. А. И. Голубева и Л. А. КондаковаДопустимые скорости скольжения определяются режимом трения и теплостойкостью резины. Ориентировочно предельные скорости скольжения вала

Среда

9тах, °с, для резин групп (на основе)

ЦСКН)

2(СКН)

З(СКН)

4(СКФ)

5(СКФ)

6(СКТВ)

Минеральные моторные масла

100

100

100

150

170

150

Трансмиссионные масла

100

100

100

150

170

130

Гипоидные масла

80

80

80

150

150

130

Соляровые масла

90

90

90

150

СГ

СГ

Нефтяные ПСМ

90

90

90

100

СГ

СГ

Дизельные топлива

Н

СГ

Н

150

н

СГ

Хлорированные углеводороды

—

н

—

—

90

—

Вода (питьевая, техническая, мор-

—

СГ

—

—

Н

СГ

ская)

Тормозные жидкости

—

н

—

—

СГ

СГ

Нижний предел 9Ь °C

-45

-30

-60

-45

-20

-55

Среда

9тах, °с, для резин групп (на основе)

ЦСКН)

2(СКН)

З(СКН)

4(СКФ)

5(СКФ)

6(СКТВ)

Минеральные моторные масла

100

100

100

150

170

150

Трансмиссионные масла

100

100

100

150

170

130

Гипоидные масла

80

80

80

150

150

130

Соляровые масла

90

90

90

150

СГ

СГ

Нефтяные ПСМ

90

90

90

100

СГ

СГ

Дизельные топлива

Н

СГ

Н

150

н

СГ

Хлорированные углеводороды

—

н

—

—

90

—

Вода (питьевая, техническая, мор-

—

СГ

—

—

Н

СГ

ская)

Тормозные жидкости

—

н

—

—

СГ

СГ

Нижний предел 9Ь °C

-45

-30

-60

-45

-20

-55

Таблица 5.2

Таблица 5.2

Условия эксплуатации резиновых армированных манжет [70]

Условия эксплуатации резиновых армированных манжет [70]

Примечание. СГ — необходимо согласование; Н — резина не совместима со средой.

Примечание. СГ — необходимо согласование; Н — резина не совместима со средой.

7 Под ред. А. И. Голубева и Л. А. Кондакова

7 Под ред. А. И. Голубева и Л. А. Кондакова

Таблица 5.3

Основные размеры, мм, резиновых армированных манжет (см. рис. 5.24)

D

Dt

Н

D

Лк

Н

D

Лк

Н

6*

22

40

62

140

170

7*

22

42

62

150

180

15

8*

22

45

65

160

190

9*

22

48

70

170

200

10*

26

7

50

70

180

220

11*

26

52

190

230

12*

28

55

75

200

240

13*

28

56

80

210

250

14*

28

58

80

220

260

15*

30

60

85

10

230

270

16*

30

63

90

240

280

17*

32

65

90

250

290

18*

35

70

95

95

19*

35

71

260

300

75

100

280

320

80

20

21

22

24

40

40

40

40

105

300

320

340

360

340

360

380

400

18

ПО

25

42

85

380

420

26

45

90

120

400

440

28

47

92

120

30

32

35

36

38

52

52

58

58

58

10

95 100 105 ПО 115

120

125

130

135

12

420

450

480

500

470

500

530

550

22

40

60

120

145

125

150

155

130

160

15

* Только для манжет типа I.

диаметром D в зависимости от типа резины показаны на рис. 5.25. Манжеты типа II по ГОСТ 8752 — 79 рекомендуется применять при г < 10 м/с для резин групп 1,2,3 (для автомобилей — при г < 15 м/с для резины группы 2) и при г < 20 м/с для резины группы 4. Максимальная температура Этат кромки манжеты должна быть существенно ниже температуры теплостойкости (см. подразд. 5.3). Время работы при Э > Этах (см. табл. 5.2) должно быть ограничено несколькими часами.

Гарантийный срок службы и хранения по ГОСТ 8752—79 для манжет из

Рис. 5.25. Рекомендуемые предельные скорости скольжения для стандартных манжет из резины по основе:

1 - СКН; 2 - СКФ-32, 3 - СКФ-26 и СКТФ

резин на основе СКН составляет 10 лет с наработкой 1000 ч; для манжеты из резины групп 4 — 6— 2500 ч. Указанные параметры являются ориентировочными и могут быть уточнены на основании расчетов и экспериментов.

Срок хранения манжет перед установкой в агрегат 3 года. В течение гарантийного срока утечки не должны превышать нормы класса негерметичности 2—2 (см. табл. 1.8).

Условные обозначения манжет: тип — исполнение — диаметр вала D х диаметр корпуса DK — группа резины. Пример условного обозначения манжеты типа I исполнения 2 для вала диаметром 50 мм с наружным диаметром 70 мм из резины группы 3: Манжета 1.2 — 50 *70 — 3 ГОСТ 8752-79.

Основные размеры армированных манжет указаны в табл. 5.3. Для вала диаметром D наружный диаметр DK и высота Н манжет типов I и П одинаковы. Исключением являются манжеты размером D*, которые выпускают только типа I. Нестандартные манжеты должны иметь такие же габариты.

Пружины для манжет выпускают по ОСТ 23.1-77—71 из стальной углеродистой пружинной проволоки диаметром dn с усилием Рс для валов — диаметром D (см. рис. 5.13):

D, мм 6 - 9 20 - 80- 130- 180 - 420

-80 -125 -170 - 400 - 500 d„ мм0,30,40,50,60,70,8

Рс, Н2,44,04,86,07,29,0

Каркасы для манжет выпускают по ОСТ 38 05146 — 78 из стали 08кп или 10кп и 20.

Контроль качества манжет. Стандартные армированные манжеты подвергаются приемным (текущим), периодическим и типовым испытаниям. Типовые испытания проводят перед началом серийного производства, при изменении конструкции, материалов или технологии, если они могут влиять на работу и качество манжет. Периодические испытания проводят для проверки стабильности производства. Текущим испытаниям подвергают каждую партию манжет (число проверяемых манжет в партии далее указано в скобках). Текущие испытания включают следующие этапы (контролируемые размеры даны на рис. 5.24).

Внешний осмотр и контроль диаметра Do (100%), размеров DK, ht, h2, биение наружного диаметра DK относительно внутреннего Do (0,5%, но не менее десяти манжет).

Контроль профиля и исполнительных размеров манжет при приемке новых и отремонтированных пресс-форм, а также не реже одного раза в 3 мес. в процессе производства. Для контроля из манжеты делают тонкие радиальные срезы, которые затем рассматривают на оптическом проекторе, сравнивая с профилем шаблона.

Проверка на набухание по ГОСТ 9.030— 74 на образцах, вырезанных из готовых манжет (0,1 %, но не менее трех манжет).

Контроль силовой характеристики (контактного давления рк или удельного усилия Р) на специальных приборах.

Принцип действия пневматического прибора (рис. 5.26) основан на фиксации давления воздуха р0 в полости А манжеты, при котором наблюдается отрыв кромки манжеты от вала и потеря герметичности. Давление р0 является мерой Р или рк и должно находиться в заданных пределах. Механический прибор (рис. 5.27) действует по принципу разрезного вала. Секторы 1 со сменными кулачками 2 для манжет 4 различного диаметра могут перемещаться в

Рис. 5.26. Прибор для контроля манжет методом отрыва уплотняющей кромки от вала: 1 — регулятор давления; 2 — манометр; 3 — дроссель; 4 — расходомер; 5 — корпус; 6 — прокладка; 7 — манжета; 8 — крышка-зажим; 9 — калиброванный вал

радиальном направлении. Коническая головка 5, на которую опираются секторы, связана тягой с рычагом 7, имеющим противовес массой G и груз 8. На рычаге расположена шкала отсчета усилия Р. До установки манжеты на секторы надевают кольцо 3 диаметром D и регулируют нулевое положение индикатора 6. Прибор позволяет определять зависимость Р от деформации губки: Р = KGKL, где KG — постоянная прибора; AL— показания индикатора.

Механический прибор удобен тем, что может быть использован на любом рабочем месте, пневматический — обеспечивает большую чувствительность.

Контроль эксплуатационных свойств включает проверку морозостойкости, термостарение и сокращенные ресурсные испытания. Морозостойкость проверяют по отсутствию трещин на кромке манжеты после замораживания, выдержки манжеты в течение 4 ч при предельной для данной резины температуре 9min и Ю-кратной деформации кромки на приборе, имитирующем вал с биением 0,15 мм (малые £>) ...0,25 мм (£) > 100 мм).

Термостарение в течение 70 ч в стандартной среде при 9 = 100 °C (для резин групп 1, 2, 3), 150 °C (для резин групп

Рис. 5.27. Прибор для измерения удельного усилия Р манжеты с рычажным силовым элементом и разрезным валомРис. 5.27. Прибор для измерения удельного усилия Р манжеты с рычажным силовым элементом и разрезным валом6), 175 °C (для резин группы 5) не должно вызывать изменения заданных параметров сверх установленных.

Рис. 5.27. Прибор для измерения удельного усилия Р манжеты с рычажным силовым элементом и разрезным валом

Рис. 5.27. Прибор для измерения удельного усилия Р манжеты с рычажным силовым элементом и разрезным валом

Ресурсные испытания проводят в течение 48 ч на специальных установках, позволяющих контролировать утечки при форсированных режимах по скорости г, температуре 9, эксцентриситетах £д = 0,125 мм, ес = 0,15 мм: для резин групп 1, 2, 3 9 = 100°C; для резин групп 4, 5, 6 — 130 °C. Утечки не должны превышать нормы класса 2—1 негерметичности.

Требования к установке манжет. Сопряженные с манжетой поверхности деталей должны иметь параметры шероховатости по ГОСТ 2789 — 73: вал — Ra =

0,32 мкм или Ra = 0,16 мкм, риски не допускаются; отверстие в корпусе — Ra = 2,5 мкм. Требования к твердости вала — см. подразд. 5.2. Квалитет допуска вала h 10, корпуса — Н9. Предельное радиальное биение вала и несоос- ность посадочного места относительно оси вала — см. табл. 5.1. В конструкции сопряженных деталей должны быть предусмотрены заходные фаски для устра

нения повреждений манжеты при сборке (рис. 5.28). Обычно уплотняющую кромку манжеты повреждают, если она при сборке проходит через шлицы, шпоночные пазы, резьбы и т. д., которые могут иметь заусенцы и острые кромки. Поэтому сборку необходимо выполнять с помощью оправок (рис. 5.28). Перед установкой в изделие манжета должна быть очищена от загрязнений и смазана (для резин групп 1, 2, 3, 6 рекомендуется ПСМ 1-13 по ОСТ 38.01145-80, для резин групп 4,5 — ЦИАТИМ-221 по ГОСТ 9433-80).

Рис. 5.28. Схема установки манжет в изделие

Глава

6

СОВМЕСТИМОСТЬ МАТЕРИАЛОВ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СРОКОВ ЭКСПЛУАТАЦИИ УПЛОТНЕНИЙ

Основные положения и критерии сравнения

При эксплуатации и хранении происходит старение уплотнений. Старением в общем смысле называют изменение свойств вещества во времени. Под действием различных агентов физическое состояние и химический состав материалов изменяются, поэтому при эксплуатации и хранении изменяются все стандартные показатели материалов: р, Е, о и др. Для прогнозирования сроков работоспособности необходимо знать механизм старения, математическое его описание и предельно допустимые значения показателей качества. Уплотнения контактируют с рабочей и окружающей средами, материалами мест установки и контртел, причем некоторые из них являются химически активными (агрессивными) или проявляют свойства катализаторов химических процессов.

Пригодность материалов для работы в условиях взаимного контакта называют совместимостью. При хорошей совместимости изменение свойств материалов вследствие контакта со средами должно происходить в заданных пределах в течение установленного срока. Для подтверждения совместимости проводят комплекс физико-механических (на набухание, прочность, твердость, морозостойкость и др.), специальных (на трение, термостарение и т. д.) и натурных испытаний. Совместимость оценивают качественно (по трех-, четырех-, пяти- и десятибалльной системам) либо количественно (по кинетическим константам протекания процесса — энергии активации, константам скорости химических реакций, параметрам диффузии). Несмотря на прин

ципиальные преимущества кинетических методов, позволяющих прогнозировать время старения, большее распространение получили методы экспертных оценок в баллах.

Критерии оценки в баллах [13]. Часто используют трехбалльную систему, установленную ГОСТ 12020 — 72:

балл 1 (С) — стойкие (химического разрушения не происходит);

балл 2 (О) — ограниченно стойкие (допустимо только кратковременное применение);

балл 3 (Н) — нестойкие (применение не разрешается).

Изменение механических свойств оценивают коэффициентами стойкости (табл. 6.1); прочностные параметры — коэффициентом К„ = apt/ap0; деформационные — КЕ = е,/е0; набухание — д = = (т, — т^т0 (здесь индекс 0 относится к исходному параметру, t — к параметру при времени t).

Коэффициенты стойкости резин оценивают по динамической деформации ползучести ед (К' = еОд/е[д) и долговечности tp (табл. 6.2).

Четырехбалльная система:

балл 1 (В) — вполне стойкие, среда не действует (К„ = ±5%; КЕ = ±2%);

балл 2 (С) — стойкие, слабое действие среды (Ка = ±15; КЕ = + 10%);

Таблица 6.1

Коэффициенты по ГОСТ 12020

СТОЙКОСТИ

-72

полимеров

Полимер

Ко

К.

%

Термопласты

1

2

3

До 10 10-15 Св. 15

До Ю 10-20 Св. 20

Реактопласты

1

2

3

До 15 15-25 Св. 25

—

Таблица 6.2

Коэффициенты стойкости резии [13, 23]

Балл

Ч, %

^ %

'р- ч

1

До 1

До 75

Св. 10

2

1-6

75-175

2-10

3

Св. 6

Св. 175

До 2

балл 3 (О) — относительно (мало) стойкие (К„ = ±20%; КЕ = ±15%);

балл 4 (Н) — нестойкие, материал разрушается.

Пятибалльная система широко распространена за рубежом как описательно-качественная. Оценки стойкости: 5 — отличная, 4 — хорошая, 3 — удовлетворительная, 2 — посредственная, 1 — неудовлетворительная.

Десятибалльная система основана на оценке вероятных сроков службы t, годы (в скобках указана оценка по пятибалльной системе):

балл 9—10 (отлично) — t > 10 лет; при t < 1 год нет изменений;

балл 7—8 (хорошо) — t = 5... 10 лет, при t < 1 года незначительные изменения;

балл 5 — 7 (удовлетворительно) — t = = 1...5 лет, при tel года К„>0,7;

балл 3 — 4 посредственно — t < 1 года; при t < 1 мес. Ко < 0,7;

балл 1 — 2 (неудовлетворительно) — разрушение материала при t < 1 мес.

Соотношения оценок по трех-, четырех- и пятибалльной системам:

С В и С отличная и хорошая

О О удовлетворительная

Н Н неудовлетворительная

Для полимерных материалов наиболее целесообразна четырехбалльная система оценки [13].

Энергетические воздействия. Уплотнение при эксплуатации подвергается различным энергетическим воздействиям. Постоянно действующим фактором является тепловая энергия. Иногда проявляется воздействие радиационной и электрической энергии. Эти виды энергии определяют интенсивность статических процессов старения.

В динамических условиях действуют также механическая энергия деформации и трения, волновая механическая энергия, выделяющаяся при вибрации, звуковых и ультразвуковых колебаниях. В результате этих воздействий в материале происходят следующие физико-химические изменения: физического характера в результате сорбционного и диффузионного массообмена компонентов материала уплотнения и сред; химического характера в структуре материала — химическая деструкция; механохимическо- го характера в результате процессов деформации и трения.

Изменения физического характера выявляют за время от нескольких часов до нескольких суток. Они проявляются прежде всего в изменении массы (набухании) материала, по которому судят о совместимости материала со средой, затем в изменении прочностных характеристик (Е, о, е, ...) и температур (9С, &хр, ■ ••) перехода. Химическая и ме- ханохимическая деструкции материала происходят в течение очень длительного времени и достигают предельно допустимых значений после нескольких лет эксплуатации. Соответствующие исследования и расчеты являются предметом научного прогноза сроков эксплуатации уплотнений. В настоящее время методика прогноза разработана для эластомерных уплотнений (см. подразд. 6.4) и рабочих жидкостей [35].

Термоокислительный механизм процесса старения [35, 44, 81, 92]. Механизм термоокислительных реакций и механо- химических превращений сходен с механизмом цепных реакций, для описания которых применяют понятие энергии активации U процессов. В элементарных химических процессах энергией активации является избыточная энергия частицы (например, молекулы), при которой она находится в активном состоянии и способна вступить в химическую реакцию. При описании таких сложных процессов, как старение материалов уплотнений и рабочих жидкостей, энергия активации и константа скорости

старения К приобретают обобщенный характер, интегрально отражая множество происходящих процессов. Введение понятия энергии активации необходимо при описании явлений диффузии, вязкости, сорбции и других явлений, связанных с преодолением энергетического барьера. Это дает возможность использовать сходные математические модели для описания термоокислительных, механо- химических и диффузионных процессов старения.

Термоокислительные процессы в органических материалах являются основной причиной их химической деструкции. Они происходят вследствие присутствия в материале адсорбированного кислорода. Процесс окисления согласно теории Семенова происходит в несколько стадий. На первой стадии происходит инициирование молекул тепловой энергией (усиливаемое при механических и радиационных воздействиях), которое может привести к диссоциации и разрыву химических связей с образованием свободных радикалов R. На последующих стадиях происходит взаимодействие активированных фрагментов молекул между собой и с другими молекулами в виде цепной реакции автоокисления: радикалы интенсивно реагируют с кислородом, образуя радикалы перекисей RO2, которые в свою очередь реагируют с исходными молекулами. При высоких температурах и в присутствии катализаторов процессы интенсифицируются. В результате термоокисления в материале происходят структурные изменения (разрывы связей, образование новых связей) и образуются продукты разложения. В конечном итоге в материале возникают микро- и макродефекты, снижающие его прочность.

Математическое описание процесса термоокисления связано со значительными трудностями прежде всего из-за того, что в реакциях очень много компонентов. Большая часть процессов окисления относится к химическим реакциям первого порядка, описываемым кинетическим уравнением dCJdt = К,СЬ

где С, — концентрация вещества; Kt — константа скорости реакции. Решение этого уравнения приводит к зависимости концентрации от времени реакции С, = = Сюек». Все множество изменений концентраций С4 компонентов оценивают одним интегральным критерием, например кислотным числом углеводородной жидкости

У = Е тА = тТ, См^»,

где т — коэффициент. Для всего множества справедлива общая зависимость