книги из ГПНТБ / Макаров Г.В. Уплотнительные устройства

Г. В. МАКАРОВ

УПЛОТНИТЕЛЬНЫЕ

УСТРОЙСТВА

ЛЕ Н И Н Г Р А Д

«М А Ш И Н О С Т Р О Е Н И Е »

Л Е Н И Н Г Р А Д С К О Е О Т Д Е Л Е Н И Е 1973

тактно-гидродинамической теории смазки, вопросы теории трения применительно к уплотнительным устройствам, методы определения долговечности уплотнений, расчеты динамики щелевых и других гидродинамических уплотнений.

Книга рассчитана на инженерно-технических работников и кон­ структоров, занимающихся расчетом и проектированием гидравли­ ческих и пневматических устройств.

Табл. 4. Ил. 114. Список лит. 111 назв.

© Издательство «Машиностроение», 1973 г.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Гидравлические и пневматические машины и агрегаты имеют весьма широкое, непрерывно возрастающее применение в различ­ ных отраслях техники: химическом и энергетическом машино­ строении, авиации, судостроении, автомобильной промышлен­ ности и др.

При проектировании машин и агрегатов часто требуется созда­ ние новых гидравлических схем, применение новых материалов, конструкций и проведение теоретических и экспериментальных работ. Во многих случаях решающее значение имеют надежность действия и долговечность гидравлических устройств.

Уплотнительные устройства являются одним из основных эле­ ментов, от которых во многом зависит надежность действия, а также дальнейшее развитие гидравлических и пневматических машин и механизмов. Однако уплотнения являются в то же время и наиболее слабым звеном в гидравлических системах. При вы­ ходе уплотнений из строя гидравлические агрегаты становятся неработоспособными, а в отдельных случаях может появиться опасность аварии.

Как показывает опыт эксплуатации, потребность в разборке узла для замены изношенных деталей также в значительной сте­ пени определяется состоянием уплотнительных устройств.

Несмотря на весьма широкое применение уплотнений в про­ мышленности, до последнего времени мало проведено обобщенных теоретических и экспериментальных исследований, которые необ­ ходимы конструкторам при проектировании машин.

Среди актуальных вопросов и проблем, требующих рассмотре­ ния, необходимо отметить следующие.

1.Повышение уровня применяемых гидравлических давлений

сцелью значительного уменьшения веса и габаритов гидравличе­ ских агрегатов.

2.Надежность герметизации при высоких давлениях.

3.Долговечность уплотнительных устройств при высоких дав­ лениях.

4.Исследование нагрева жидкости и гидравлического агре­ гата при высоких давлениях с целью обеспечения необходимого рабочего режима в течение заданного времени.

5. Уменьшение потерь энергии в уплотнениях и повышение

к.п. д. гидравлических агрегатов.

6.Защита контактных уплотнений при применении высоких давлений и наличии относительного движения.

7.Возможность регулирования утечки с целью ее уменьше­ ния при применении щелевых уплотнений.

Глава I

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ УПЛОТНЕНИЯХ

1.НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ УПЛОТНИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

Взависимости от требований, предъявляемых к гидравличе­ ским агрегатам, уплотнительные устройства должны обеспечивать полную герметизацию рабочей жидкости или существенно умень­ шать утечку ее. Утечка не допускается для большинства уплотне­ ний, запирающих жидкость от вытекания наружу, а также для уплотнений гидропневматических устройств, гидравлических гру­ зоподъемных устройств и др. Незначительная утечка жидкости допускается для многих уплотнений, разделяющих отдельные полости с разным давлением от перетекания жидкости внутри агрегатов, например внутренние уплотнения тормозов, буферов, рабочих цилиндров, гидронасосов, гидродвигателей, компрессо­ ров и др.

Все уплотнительные устройства по характеру уплотняемых соединений подразделяются на следующие три основные группы:

По принципу действия уплотнительные устройства подразде­ ляются на два вида:

1) контактные, осуществляющие герметизацию за счет плот­ ного прилегания уплотняющих деталей к соответствующим сопря­

По величине давления уплотнительные устройства можно раз­ делить на работающие при низком давлении (подшипниковые узлы зубчатых и червячных редукторов), работающие при высоком давлении (гидронасосы, гидродвигатели, гидротормозы и др.) и вакуумные.

Контактные уплотнения (манжетные, уплотнения кольцами, сальниковые и др.) имеют наиболее высокую надежность гермети­ зации, ограниченную долговечность и значительные потери энер­ гии на преодоление сил трения при движении. Контактные уплот-

5"

нения при высоких давлениях изнашиваются и требуется периоди­ ческая их замена. При этом также изнашиваются сопряженные с ними детали: валы, штоки и цилиндры. Несмотря на отмеченные недостатки, контактные уплотнения часто являются незамени­ мыми там, где утечки жидкости не допускаются или должны быть очень малыми.

В бесконтактных уплотнениях (центробежных, винтоканавочных, щелевых и др.) жидкость запирается без непосредственного контакта уплотняющих элементов с перемещающимися деталями.

Центробежные и винтоканавочные уплотнения при вращении валов могут запирать жидкость без утечки ее. При отсутствии вращения жидкость обычно запирается за счет применения кон­ тактных уплотнений, которые отключаются с началом вращения. Такие уплотнения находят применение в технике при больших скоростях.

Щелевые уплотнения имеют неограниченную долговечность и малые потери энергии от сил трения при движении, не требуют частых перерывов в работе для замены уплотнений. Щелевые уплотнения применяются только там, где допускается некоторая утечка через соединение.

2.ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ

КУПЛОТНИТЕЛЬНЫМ УСТРОЙСТВАМ

При проектировании уплотнительных устройств нужно учиты­ вать характер рабочей среды (жидкость, газ, пар), давление, тем­ пературу, скорость относительного перемещения деталей уплот­ няемого соединения, необходимую долговечность уплотнения и величину допускаемой утечки.

Уплотнительные устройства должны удовлетворять конкрет­ ным условиям работы проектируемого гидравлического агрегата или механизма. Ниже приводятся основные требования, предъяв­ ляемые к уплотнительным устройствам.

1.Обеспечение необходимой степени герметизации соединений

сучетом условий работы агрегатов.

2.Долговечность уплотнений должна обеспечивать заданное число рабочих циклов агрегата или срок службы.

3.Обеспечение наименьших потерь на трение и минимальных утечек.

4. Отсутствие чрезмерного разогрева агрегата при работе от действия сил трения в уплотнениях.

Для обеспечения требований 2, 3, 4 силы трения в уплотне­ ниях должны быть по возможности малыми. Уплотнительные устройства не должны вызывать усиленной коррозии окружающих деталей и разлагаться в рабочей жидкости. Смена уплотняющих деталей должна быть по возможности простой и производиться без сложных приспособлений, не занимая много времени.

Уплотнительные устройства должны быть малогабаритными.

6

3. ОСНОВНЫЕ УСЛОВИЯ НАДЕЖНОЙ ГЕРМЕТИЗАЦИИ И РАБОТЫ УПЛОТНЕНИЙ

Для правильного проектирования контактных уплотнительных устройств очень важно определить условия, при которых обеспечивается надежная герметизация полостей. Надежную гер­ метизацию как в состоянии покоя, так и при движении обеспечи­ вают только контактные уплотнения.

При применении контактных уплотнительных устройств мяг­ кие уплотняющие детали (резина, пластмасса и др.) должны плотно прилегать к сопряженным с ними деталям соединения за счет предварительного поджатия и поджатия рабочим давлением жид­ кости, входить во все микронеровности механической обработки и не допускать при движении зазора, по которому могла бы проис­ ходить утечка жидкости или газа.

В случае применения металлических контактных уплотняющих деталей (торцовые уплотнения, металлические манжеты, металли­ ческие сальники и т. д.) под действием предварительного поджа­ тия и давления запираемой жидкости уплотняющие детали также должны прижиматься к деталям соединения и по возможности упруго деформировать неровности сопрягаемых поверхностей, уменьшая при этом величину возможных зазоров.

Если зазор в соединении двух деталей будет очень мал, то воз­ никающее за счет-молекулярного сцепления поверхностное натя­ жение слоя жидкости между двумя деталями, препятствующее утечке жидкости, должно быть больше давления рабочей жидко­ сти. Величина поверхностного натяжения зависит от физико-меха­ нического состояния как уплотняемой среды, так и уплотняющего элемента (смачиваемость поверхностей, взаимодействие между молекулами протекающей среды и уплотняющих поверхностей, вязкость жидкости и др.).

Условие отсутствия утечки жидкости через зазор в этом случае p — pa^Aps,

где р — давление рабочей жидкости; рв — давление в смежной области; Aps — потери давления на преодоление сил поверх­ ностного натяжения слоя жидкости.

Так как величина Aps даже для очень малых зазоров незначи­ тельна, то практически для обеспечения герметичности необхо­ димо на всем пути перемещения иметь зазор, равный нулю.

Как показывает опыт, для запирания жидкости или сжатого газа под давлением, а также при отсутствии избыточного давле­

Это поджатие должно обеспечивать отсутствие зазоров в соедине­

7

Все контактные уплотнптельные устройства должны устанавли­ ваться на место с предварительным поджатнем на запираемых поверхностях.

При работе агрегата уплотняющий элемент под действием дав­ ления среды не должен стремиться отходить от деталей уплотня­ емого соединения: с увеличением рабочего давления должно уве­ личиваться поджатие уплотняющего элемента. Уплотнение должно обладать свойствами самоуплотнения, т. е. должно быть обеспе­ чено условие

больше ее.

Если удельное давление рг будет превышать рабочее давление запираемой среды р, то в этом случае под давлением жидкости произойдет автоматическое ее самозапирание, даже если бы имела место потеря предварительного поджатия, например, за счет износа. Поэтому при проектировании гидравлических устройств для повышения надежности действия уплотнений стремятся обес­ печивать условие, проверенное практикой, рг >> р. Там, где оно обеспечивается, уплотнение работает более надежно, утечка жидкости при работе меньше.

Величина отношения давлений на запирающих поверхностях применяемых уплотнений характеризуется следующими данными:

2) резиновые кольца, запирающие жидкость, работают при наличии отношения давления -у- « 0,8;

3) сальниковые дифференциальные уплотнения с плавающим стержнем, применяемые в запорных вентилях, запирают сжатый воздух под давлением до 140 кгс/см2 без применения жидкости

при наличии отношения давлений -у- « 1,2.

Необходимая величина поджатия р0 для запирания жидкости при отсутствии давления определяется следующей приближенной зависимостью:

где А, т — постоянные величины; / — длина контакта уплотня­ ющей детали на поверхности запирания.

Для масла АМГ при I = 0,2ч-2 см, согласно опытам Ю. А. Но­ сова [54], получено при t — 25° С т — 0,8 и А ;= 0,565При t —

— —60° С необходимое значение р0 увеличивается в два—четыре раза (по сравнению с применяемыми уплотнениями эти данные

8