Введение

На обеспечение герметичности неподвижных контактных уплотнений существенно влияют глубина и ширина канавки, в которую устанавливается эластичное кольцо. Целью и задачей проведенных научных исследований является теоретическое обоснование и определение размеров канавки с учетом деформаций сжатия и возникающего внутри кольца контактного давления при всех сочетаниях допусков на размеры канавки и кольца. Целенаправленных исследований по рассматриваемому вопросу не проводилось. В технической литературе имеются указания о выборе размеров канавки с достаточно широкими пределами. К примеру, для номенклатуры стандартных колец круглого сечения установлен ряд исполнительных размеров канавок, рассчитанных с запасом по объему иногда до 50%, исходя из возможности применения уплотнений для самых разных сред. Представленые теоретические выкладки позволяют точнее определять размеры канавок, обеспечивающих герметичность уплотнений с учётом различных факторов.

Основная часть

На обеспечение герметичности неподвижных контактных уплотнений существенно влияют величина коэффициента ε сжатия и возникающее внутри кольца контактное давление p к . В еличина коэффициента ε сжатия определяется относительной деформацией сжатия и мало зависит от диаметра сечения d , поэтому для всех размеров колец выбирается одинаковая величина деформации ε=100 . ( d - h )/ d , где h - сумма глубины канавки и зазора между деталями с учетом эксцентриситета.

Вследствие сжатия кольца в канавке происходит его сплющивание уплотняемыми поверхностями. При расчете размеров канавки необходимо учитывать то, что ширина канавки определяется ее объемом и существенно влияет на габариты соединения. Размеры канавки должны обеспечивать деформацию сжатия кольца по сечению для создания требуемого контактного давления при всех сочетаниях допусков на размеры канавки и кольца. Кольцо должно располагаться в канавке в ширину свободно, а объем канавки должен быть больше объема кольца с учетом объемного набухания кольца в среде рабочих жидкостей и неблагоприятных сочетаний допусков геометрических размеров и производственных ситуаций.

На работоспособность упругого эластомерного кольца отрицательно влияет подвижность сжатого кольца в канавке. Для уменьшения перемещения кольца в канавке желательно назначать ее ширину, равной длине сжатого сечения деформированного кольца.

Процесс набухания обусловлен диффузионным проникновением жидкости в объем эластомера, заполняя имеющиеся в ней пустоты, и одновременно, воздействуют на звенья макромолекул каучука, изменяю структуру материала. Процесс сопровождается изменением массы и объема эластомера за счет поглощения эластомером жидкости. Для таких материалов, обладающих свойством объемного набухания, необходимо предусматривать канавки с большей шириной, т.е. соответственно с увеличением объема канавки. При длительной работе уплотнений в различных температурных режимах наблюдается увеличение начального объема эластомерных колец на 10...15 %.

В соответствии с положением кольца в канавке, определяемом не только геометрией, но воздействием внешних сил (давления рабочей среды, пружины и т.п.), профиль сечения круглого кольца может иметь виды, представленные на рис.1, а, б и в.

Рис. 1. Расположение деформированного кольца в канавке
а - установка кольца в корпусе без давления; б - с давлением до 16 МПа; в - при давлениях в корпусе >> 16...20 МПа

Состояние а соответствует моменту установки кольца в корпус гидроустройства в условиях хранения изделия при давлении р ≤ 0,05 МПа внутри корпуса; состояние б - работе уплотнительного кольца при воздействии давления рабочей среды на кольцо справа 0,05 < р < 16 МПа; в - работе при давлении рабочей среды р ≥ 16...20 МПа.

Площадь сечения кольца в свободном состоянии перед установкой в канавку равна S о = πd 2 /4 . Площадь деформированного сечения кольца между двумя плоскостями-поверхностями канавки практически равна площади сечения кольца в свободном состоянии перед установкой в канавку, т.е. S о = S 0деф .

Ширину канавки будем определять по соотношению S деф = ψ S о площадей сечения деформированного двумя уплотняемыми поверхностями и свободного (недеформированного) состояния кольца, где ψ - коэффициент, учитывающий увеличение объема кольца при неблагоприятном сочетании допусков и объемное набухание кольца в среде рабочих жидкостей, ψ = 1,0 ... 1,2; S о = S 0деф = 1,0.

Согласно рис. 1, а сечение деформированного сечения эластомерного кольца можно представить в виде двух полукругов диаметром h и прямоугольника hl 1 . Площадь сечения кольца в деформированном состоянии равна S деф = πh 2 /4+ hl 1 . С учетом значения коэффициента сжатия ε имеем величину ширины-длины сечения деформированного кольца свободно расположенного в канавке (ширину канавки)

.

В случае деформации кольца с радиальным ограничением одной из стенок канала сечение кольца примет вид, показанный на рис. 1.б , а. Сечение деформированного кольца можно представить в виде площади одного полукруга диаметром h и прямоугольника hl 2 равна S деф = πh 2 /8+ hl 2 . Ширина канавки (ширина-длина сечения кольца) в этом случае равна

.

На рис. 1.в показано расположение деформированного кольца, полностью заполняющего сечение канавки (l 3 = В 3 ). Ширина канавки (длина сечения кольца) в этом случае равна

.

Величина В 3 определена в долях исходного диаметра d круглого кольца. Ширина уплотняющего пояска l 3 оказывает влияние на герметичность - чем больше эта ширина, тем больше перекрывается базовых опорных длин профиля неровностей, характеризующих шероховатость уплотняемой поверхности.

В таблицах 1, 2 и 3 приведены соответственно к состояниям а, б в (рис. 1) результаты расчетов ширины канавки в зависимости от в еличины коэффициента ε сжатия и коэффициента ψ , учитывающего увеличение объема кольца.

Табл.1

Зависимость ε и ψ состояния а .

Табл.2

Зависимость ширины канавки В от коэффициентов ε и ψ состояния б .

Табл.3

Зависимость ширины канавки В от коэффициентов ε и ψ состояния в .

Допуска геометрических размеров сечений кольца и канавки можно учитывать увеличением коэффициента ψ на 0,02...0,3.

Заключение

При определении размеров канавки h и B следует руководствоваться следующими положениями:

Глубина канавки h должна соответствовать требуемому коэффициенту сжатия ε , обеспечивающему сохранение герметичности в течение заданных условий эксплуатации ;

Ширину канавки В следует выполнять с учетом объемного набухания материала кольца и обеспечением возможно меньшей продольной подвижностью сжатого кольца в канавке.

Список литературы

1. Захаров Б.С. Уплотнения валов нефтяных насосов (обзоры, статьи, изобретения). М.: АО ВНИИ ВОЭНГ, 2006. 360 с.

2. Продан В.Д., Божко Г.В., Васильев А.В., Исакова М.А. Оценка коэффициента бокового давления сальниковых набивок с учетом радиальных нагрузок // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2010. № 4. С. 28-29.

3. Кондаков Л.А., Голубев А.И., Овандер В.Б. и др. Уплотнения и уплотнительная техника: Справочник / под общ. ред. А.И. Голубева, Л.А. Кондакова. М.: Машиностроение, 1986. 464 с.

Уплотнения неподвижных соединений.

1. При установке резиновые кольца следует предохранять от перекосов, скручивания, ме­ханических повреждений и порезов.

Поверхности сопрягаемых деталей должны быть чистыми, не содержать абразивных про­дуктов и продуктов коррозии. Поверхность рекомендуется смазывать смазкой, инертной к материалу колец, или рабочими жидкостями, обладающими хорошими смазывающими свойствами.

2. Для облегчения монтажа необходимо предусмотреть заходные фаски в цилиндре, на поршне и штоке, указанные на рис. 3, а и б .

d 2 1,4 1,9 2,5 3,0 3,6 4,6 5,8 7,5 8,5

d 1 30 3030 45 55 65 80 110 130

3. Если в процессе монтажа кольцо прохо­дит по отверстию, то во избежание среза де­лают кольцевые проточки (рис. 4). Если не­возможно выполнить кольцевую проточку, то притупляют острые кромки.

4. Для установки уплотнительных колец в наружные канавки рекомендуется применять конусные оправки (рис. 5).

В случае, когда кольцо при монтаже прохо­дит по резьбе, следует применять оправки, при­крывающие резьбу.

Рис. 3. Заходные фаски: а - для цилиндра D ф = d 3 + 2d 2 + 1;

б - для штока d ф = D 1 - 2d 2 -1; в - открытые канавки

Рис. 4

Диаметр оправки D устанавливают в зави­симости от диаметра штока или поршня, a L - от расположения гнезд в соединении, в кото­рые будет монтироваться уплотнительное кольцо. Толщину стенок конусной оправки ((D 3 -D)/2) выбирают равной 0,5...2мм.

5. Монтаж уплотнительных колец во внут­ренние канавки производят:

а) без применения инструментов, если внутренний диаметр цилиндра достаточно велик;

б) с помощью инструментов типа прямых отверток или отверток с концом, согнутым под углом 90°, при небольшом диаметре цилиндра или глубоком расположении канавки.

Инструменты для монтажа колец изготов­ляют из пластмассы или мягкого металла (на­пример, алюминия или латуни) с закруглен­ными краями.

6. Если монтаж колец во внутреннюю ка­навку затруднен, то рекомендуется применять цилиндрический ограничитель, который сле­дует вводить в цилиндр до канавки со стороны, противоположной направлению ввода кольца в цилиндр.

Ограничитель представляет собой сплош­ной цилиндр с наружным диаметром, равным диаметру цилиндра, в который монтируется кольцо. Длину ограничителя выбирают в зави­симости от расстояния до канавки (под уплот­нительное кольцо) со стороны, противополож­ной направлению ввода кольца.

7. Кольца после демонтажа уплотнительного узла, находившегося в эксплуатации, по­вторно не применять.

1. Защитные кольца следует применять для предохранения от выдавливания резины в за­зор под влиянием давления рабочей среды.

Защитные кольца устанавливают со сторо­ны, противоположной направлению давления, а при двустороннем давлении - с обеих сторон уплотнительного кольца.

Рис.5

Защитные кольца применяют при радиаль­ных зазорах свыше 0,02мм при следующих условиях работы:

в подвижных соединениях при давлении свыше 10МПа;

в неподвижных соединениях при давлении свыше 20МПа;

при пульсирующем давлении свыше 10МПа;

в неподвижных соединениях с уплотнительными кольцами из резин на основе кремнийорганических и фторсиликоновых каучуков при давлении свыше 1МПа.

Допускается применять защитные кольца при меньших давлениях.

Ширина канавок под кольца должна быть увеличена на максимальную толщину защит­ных колец.

2. Защитные кольца должны изготавли­ваться из фторопласта по ГОСТ 10007-80, полиамидной смолы по ГОСТ 10589-87 или других материалов цельными, разрезными или спиральными по технической документации, утвержденной в установленном порядке. Тол­щина цельных защитных колец из фторопласта должна быть не менее 1 -0,1 мм.

При уплотнении цилиндра или штока один из диаметров фторопластового кольца должен равняться номинальному диаметру цилиндра или штока, а другой - соответственно равнять­ся номинальному диаметру канавки d 3 и D 1 с предельными отклонениями по табл. 9 и 9а.

3. Неразрезные защитные фторопластовые кольца монтируют в наружные канавки таким же способом, как уплотнительные кольца, но с последующим механическим осаживанием для устранения остаточного удлинения.

Кольца осаживают при помощи конусной втулки (рис. 6) и двух полуколец (рис. 7).

Внутренние поверхности конусной втулки должны иметь параметр шероховатости не более Ra 0,16мкм. Размеры втулки необходимо выбирать в зависимости от диаметра штока или поршня, в канавку которого монтируют защитные фторопластовые кольца. Внутрен­ний диаметр конусной втулки равен диаметру штока или поршня.

Диаметр D 5 = D + 2h, где h - толщина фторопластового кольца. Диаметр D 3 = D + 2а, где а - толщина стенки (не более 8мм).

Диаметр D (рис. 6) равен диаметру штока или поршня, в гнезде которого устанавливают защитное кольцо; диаметр d (рис. 7) выбирают равным диаметру штока или поршня по диа­метру канавки

Ширина полуколец Н должна быть равна ширине канавки без ширины фторопластового кольца.

Защитные кольца I и полукольца 2 устанавливают в канавки поршня (рис. 8), протас­кивают несколько раз через конусную втулку до тех пор, пока они не будут проходить через нее свободно. После этого полукольца снима­ют и вместо них устанавливают уплотнительные кольца.

Таблица 8.14 Размеры канавок для сальниковых уплотнений и

толщины колец для них, мм

Размеры трапецеидального профиля канавки, которые устанавливает ГОСТ 11641-73*, рекомендуется наносить на выносном элементе, а на основном изображении детали следует давать размерl положения канавки (рис. 8.27).

8.6. Канавки под уплотнительные резиновые кольца круглого сечения по ГОСТ 9833-73

Часто для радиальных уплотнений неподвижных соединений деталей типа корпус - крышка и подвижных соединений деталей типа корпус (цилиндр) - поршень и корпус (крышка) - шток используют резиновые кольца круглого сечения (рис. 8.28). Эти кольца применяют также для торцевых уплотнений и уплотнений по

Канавки, в которые устанавливают резиновые кольца, выполняют в одной из находящихся в контакте деталей, охватывающей (корпус, цилиндр, крышка) или охватываемой (поршень, шток). Размеры уплотнительных колец и канавок под них устанавливает ГОСТ 9833-73.

Для радиальных уплотнений форма и размеры резиновых колец круглого сечения, а также форма и размеры канавок и посадочных мест под них приведены на рис. 8.29 и в табл. 8.15. Определяющими размерами в табл. 8.15 служат диаметр сечения кольца d 2 и внутренний диаметр кольцаd 1 . На рис. 8.28, 8.29 и в табл. 8.15d - диаметр уплотняемого штока,D - диаметр уплотняемого цилиндра,d 3 - диаметр посадочного места (проточки) под кольцо в охватываемой им детали,D 1 - диаметр посадочного места (проточки) под кольцо в охватывающей его детали,b - ширина

Rmax =0,2

R1 max =0,4

Номинальные диаметры d 1 колец установлены до 300 мм. Размеры канавок для промежуточных диаметров, не приведенных в табл. 8.15, можно рассчитать, используя разницу соответствующих размеров для ближайшего меньшего из приведенных в табл. 8.15 диаметров.

Пусть, например, надо определить диаметры d ,D ,d 3 ,D 1 и ширинуb для неподвижного соединения при размерах кольцаd 2 =3ìì иd 1 =24,5ìì . Для диаметраd 2 =3ìì ближайший меньший к диаметруd 1 =24,5ìì размер, приведенный в табл. 8.15, равен19,5ìì . Для диаметраd 1 =19,5ìì разница в соответствующих размерах в мм

d3 =d+0,3=25+0,3=25,3ìì; D1 =D-0,3=30-0,3=29,7ìì; b=4ìì.

Таблица 8.15

Размеры резиновых колец и проточек под них для радиальных уплотнений по ГОСТ 9833-73, мм

À Á

На чертеже детали канавку (проточку) под резиновые кольца изображают упрощенно (рис. 8.30), нанося её размеры на выносном элементе. На основном изображении при этом показывают размеры положения l 1 и l2 канавок.

l 1 Рис. 8.30

8.7. Рифление

Чтобы деталь не проскальзывала в руках при повороте, на её поверхности выполняют рифление - рисунок определенного профиля, получаемый путем накатки, т. е. выдавливания части металла на поверхности изделия.

Рифление на чертеже обозначают рисунком и надписью. Рисунок упрощенно передает вид рифления, его наносят в пределах всего контура видимой части рифленой поверхности (рис. 8.31а и б) или на части поверхности (рис. 8.31в). В надписи указывают вид рифления (прямое или сетчатое), его шаг P (на рис. 8.31а и б он указан в параметрическом, а на рис. 8.31в в числовом виде) и номер стандарта ГОСТ 21474-75. Профиль рифления приведен на рис. 8.32.