Определения и классификация уплотнения

Лекция 9

Определения и классификация уплотнения

При разделении сред в силовых агрегатах, передаточных механизмах, емкостях для хранения существует проблема герметизации соединений. Применение неразъемных соединений, получаемых сваркой, пайкой, запрессовкой часто недопустимо по условиям эксплуатации. В связи с этим в технике широко используются уплотнительные элементы и специальные устройства, а также особо точные методы обработки поверхностей и подгонка деталей, например в устройствах золотникового типа.

Уплотнения используются в технике настолько широко и их выпуск настолько велик, что некоторые предприятия специализируются на выпуске только элементов уплотнительной техники, а сама уплотнительная техника стала существовать как отрасль науки и техники.

Уплотнительная техника, или герметология, — отрасль техники, разрабатывающая научные основы и практические методы герметизации объектов, проектирования и эксплуатации уплотнительных устройств. В большой степени их работоспособность определяет ресурс работы и надежность агрегатов и узлов различных объектов техники, в том числе гидравлических и пневматических устройств автомобильной техники.

Уплотнительное устройство, или уплотнение, — устройство для разделения сред, предотвращения или уменьшения до допускаемых пределов утечки сред через подвижные или разъемные неподвижные соединения.

Общими элементами уплотнений различных типов являются уплотняемые поверхности стыка соединений 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;

свойства материалов герметизируемого соединения и уплотнителя;

режим работы;

допускаемые пределы утечек;

ресурс и общий срок эксплуатации;

токсичность и химическая агрессивность сред.

Часто для повышения работоспособности создают комбинированные уплотнения и сложные уплотнительные комплексы.

Уплотнитель — уплотняющий элемент (специальная деталь, пара или комплект деталей) контактного уплотнительного устройства. В бесконтактных уплотнениях роль уплотнителя играет разделительная жидкая, газообразная или композиционная среда, заполняющая полость уплотнения.

В соответствии со свойствами материала уплотнители подразделяют (рис. 1) на механические (детали из твердых тел, например углеграфитовые или стальные кольца), резиновые или эластомерные (например, резиновые кольца или манжеты), композиционные, набивочные, жидкостные (например, жидкости специальные и разделительные).

уплотнитель герметизация соединение

Простые герметизирующие узлы не всегда достаточно эффективны, особенно при работе в сложных условиях и при использовании в ответственных объектах (энергетические установки, аппараты химических производств и т. д.). Для повышения ресурса и надежности уплотнений, главным образом, создаются уплотнительные комплексы (УК), включающие несколько ступеней уплотнений основного назначения, дополнительные стояночные уплотнения периодического действия, аварийные дублирующие системы и обеспечивающие системы охлаждения (СО), защиты и смазывания.

По назначению уплотнения подразделяют в соответствии с типом герметизируемого соединения (рис. 2). Неподвижные соединения герметизируют постоянно или периодически действующими уплотнениями (УН). Для герметизации подвижных соединений, передающих вращательное движение, применяют уплотнения типа УВ, для уплотнения возвратно-поступательных перемещений — УПС, для более сложного движения (колебательное, винтовое и т. д.) — УС. Многие конструкции уплотнений можно применять в различных соединениях. Например, эластичные кольца используются практически во всех типах уплотнений.

Обычно на первом этапе проектирования не удается выбрать конкретную конструкцию уплотнения, а можно лишь наметить систему уплотнений агрегата. При этом удобно использовать условные изображения, приведенные в табл. 1.

В качестве примера применения условных обозначений на рис. 3 показан цилиндр силового агрегата с возвратно-поступательным движением выходного звена (штока).

Таблица 1.

Условные графические обозначения уплотнений

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

Классификация. В связи с многообразием видов уплотнений их полной классификации пока не создано. Однако сложилась определенная система понятий и терминов, используемых в научно-технической литературе, технической документации и в производственной сфере.

Наиболее часто в соответствии с принципом действия и отраслевой принадлежностью используется следующая классификация уплотнений по категориям:

Классы — контактные, бесконтактные, разделительные.

Подклассы (в соответствии с основными эксплуатационными особенностями, определяемыми свойствами уплотнителя) — проточные, динамические, эластомерные, механические, набивочные, диафрагменные и т. д.

Типы — по назначению герметизируемого соединения.

Группы — по особенностям механизма герметизации.

Виды — по конкретным конструкциям.

Внутривидовые группировки.

Рассмотрим классификацию на примере плавающего кольца (щелевое бесконтактное уплотнение (рис. 4).

Рабочая, окружающая и разделительная среда Рабочей средой (Р) называют вещество, находящееся внутри герметизируемого объекта. Окружающая среда (А) — вещество вне этого объекта. Каждая среда характеризуется агрегатным состоянием химическими свойствами и физическими параметрами (давление, плотность, вязкость, сжимаемость, теплоемкость, теплопроводность, температура фазового перехода, структурных преобразований, растворимость, поверхностное натяжение, адгезионная способность), а также экологическими свойствами (токсичность, взрывои пожароопасность, запах и т. д.).

В общем случае любая реальная среда является многофазной, т.к. в ней находятся различные примеси (продукты загрязнения, пузырьки газа и т. д.). Если среда состоит из нескольких предусмотренных веществ в разных агрегатных состояниях, ее называют композиционной (например, смесь масла с различными твердыми присадками, коллоидные растворы и т. д.). При взаимодействии сред между собой возможны недопустимые химические реакции, изменение физического состояния и т. д. В этом случае говорят о несовместимости среды Р со средой, А или с материалом уплотнения. Пригодность материалов для работы в условиях взаимного контакта называют совместимостью. В течение заданного срока эксплуатации свойства материалов должны изменяться в установленных пределах.

При несовместимости сред, А и Р в конструкции агрегата предусматривается гидравлический или газовый затвор, заполненный разделительной средой Б. В уплотнениях некоторых типов среда Б может находиться в разных агрегатных состояниях во время работы и остановки. В качестве среды Б используются, например, легкоплавкие материалы.

Уплотнения работают при различных перепадах давления и температуре, при этом различают номинальные и экстремальные условия работы. В течение назначенного ресурса работы уплотнение должно выдерживать номинальный режим и кратковременное воздействия экстремальных условий. При уплотнении жидких сред принято считать давление p < 10 МПа низким, p < 25 МПа средним, p < 40 МПа — высоким, p > 40 МПа — сверхвысоким. Пределы применения уплотнений приведены на рис. 5.

Уплотнения одного класса имеют общий механизм герметизации и, следовательно, общие эксплуатационные характеристики, структурные схемы и математические модели (рис. 6).

Для бесконтактных уплотнений характерно наличие сравнительно большого зазора, который может быть заполнен уплотнительной средой Б (жидкой или газообразной), имеющей свои свойства. Уплотнительный эффект достигается в создании сил ру, противодействующих перепаду давления р, вызывающего утечку Q.

Область применения таких уплотнений ограничена свойствами материала уплотнителя (например, температурой кипения или застывания), а также возможностью создания противодействующих сил (например, центробежных, возникающих только во время вращения вала). Обычно эти уплотнения применяют в качестве первых ступеней контактных уплотнений для снижения давления перед этими уплотнениями.

Контактные уплотнения отличаются наличием уплотнителя (например, эластомерного кольца), плотно поджимаемого специальным силовым элементом к герметизируемой поверхности.

Вследствие малого и даже практически полного отсутствия зазора между уплотнителем и герметизируемой поверхностью обеспечивается хорошая герметичность при значительном трении в подвижном соединении.

Диафрагменные уплотнения обеспечивают самый высокий уровень герметичности, но ограничивают возможные взаимные перемещения элементов.

Подразделение уплотнений на классы имеет условный характер, так как существуют комбинированные уплотнения, в которых сочетаются элементы различных классов, а также уплотнения, механизм герметизации которых зависит от режима работы.

Так, например, торцовые гидростатические уплотнения в основном режиме являются бесконтактными, а при остановке — контактными.

Контрольные вопросы к разделу

1. В каких случаях для герметизации соединений используются уплотнительные элементы и уплотнительные устройства?

2. Какие факторы влияют на работоспособность уплотнения?

3. Что такое «уплотнитель» и как классифицируются уплотнители?

4. Как классифицируются уплотнения по назначению?

5. Что такое «рабочая», «окружающая» и «разделительная» среда?

6. Что обозначает в уплотнительной технике понятие «совместимость»?

7. Чем конструктивно характеризуются бесконтактные, контактные и диафрагменные уплотнения?