Пластмассовые уплотнения для соединений вращательного движения. (картинки не отображаются)

Проблема обеспечения надежной герметизации гидропривода приобретает особую актуальность в связи с его развитием по пути дальнейшего повышения энергоемкости за счет увеличения скоростей, давлений и температур, снижения габаритных размеров, повышения безопасности и экологической чистоты. При этом характерное увеличение давлений рабочей жидкости (РЖ) и в дренажных полостях (корпусах) гидромашин (ГМ) вызвано все более широким применением систем охлаждения с прокачкой РЖ через корпуса ГМ, гидробаков с наддувом и исключением дренажных трубопроводов за счет соединения дренажных полостей со сливными линиями.

В этих условиях работа уплотнений валов ГМ существенно усложняется и традиционные резиновые манжеты (ГОСТ 8752-70) становятся ненадежными, так как эксплуатационные параметры ГМ: радиальные смещения и биения вала, предельные давления РЖ – многократно превышают допустимые значения. Попытки повысить надежность путем дублирования манжет не дают ожидаемого результата в связи с тем, что существенно увеличивается нагрев манжет и ускоряется их старение. Нежелательно и связанное с этим увеличение габаритов ГМ.

Применяемые некоторыми зарубежными фирмами торцевые уплотнения ГМ белее сложны и трудоемки в изготовлении и требуют еще больше габаритов для размещения, что практически исключает возможность их резервирования для повышения безотказности ГМ.

Обеспечить высокие эксплуатационные характеристики при простоте и компактности конструкции удалось в радиально – торцевых пластмассовых уплотнениях «Кобра» (рис.1) [1, 3], состоящих из уплотнителя в виде пластмассового кольца 1 и браслетной пружины 2. Они работоспособны в широком температурном диапазоне

(-60…+130°С), при давлении p < 3 МПа, скорости скольжения v < 30 м/с и биении вала до 0, 5 мм. Ресурс этих уплотнений при p = 0, 5 МПа и v = 6 м/с превышает 7000 ч. По герметичности и потерям на трение уплотнения «Кобра» не уступают резиновым манжетам по ГОСТ 8752-70, а их компактность позволяет устанавливать два уплотнения вместо одной манжеты при сохранении требований к деталям посадочного места по твердости, шероховатости и точности изготовления.

Высокие показатели уплотнений «Кобра» достигнуты благодаря использованию разработанной автором концепции оптимизации структурных схем и элементов контактных уплотнений [2]. Согласно этой концепции наиболее перспективной и компактной является радиально – торцевая компоновка контактных поверхностей на незакрепленном (плавающем) уплотнителе, при которой при радиальных смещениях и биениях вала уплотнитель проскальзывает по торцу посадочного места, а не изгибается по сечению как манжета.

В результате исключается проблема обеспечения циклической стойкости материала уплотнителя при изгибе и необходимость использования гибких тонкостенных элементов, чувствительных к повышению давления РЖ. Одновременно появляется возможность применения для уплотнителя белее твердых, прочных и износостойких, чем резина, нестареющих материалов типа фторопластов с наполнителями, например Ф4К20, Ф4К15М5 (ТУ6-05-1413-76).

Стабильный контакт уплотнителя с валом и торцом неподвижной детали обеспечивает стальная браслетная пружина с жестко заданным рабочим усилием, которая отличается от аналогичной пружины в манжетах в несколько раз увеличенной распределенной силой, что снижает чувствительность уплотнения к ударным нагрузкам и вибрации. Компактность пружины (ГОСТ 13770-68) достигнута применением пружинной проволоки 1-го класса и минимальным отношением среднего диаметра витка пружины к диаметру проволоки. Большая рабочая деформация пружины приближает ее упругую характеристику к идеальной, при которой допуски на изготовление и износ уплотнителя практически не влияют на контактное давление в уплотнителе. Благодаря этому запас уплотнителя на износ достигает 50 % от его начальной массы.

Угол конической поверхности уплотнителя в зоне контакта с пружиной принят равным 35° из расчета на герметичный контакт и отсутствие вращения уплотнителя вместе с валом.

При использовании дублированного (двухкаскадного) уплотнения «Кобра» возможен вариант конструкции с эксцентричной втулкой между каскадами уплотнения (рис.2) [А.с. 1096425, СССР], при котором за счет насосных эффектов в клиновом зазоре δ между втулкой и валом обеспечивается разгрузка внешнего каскада от давления и полное отсутствие утечек [1].

Для обеспечения работоспособности при сверхвысоких скоростях уплотнительное кольцо выполняют гофрированным (рис.3) [А.с. 1270472, СССР].

Существенного повышения герметичности и снижения сил трения и нагрева можно достигнуть и введением на рабочую поверхность канавок треугольного профиля (рис.4).

Высокая компактность уплотнений «Кобра» позволяет встраивать их в шарикоподшипники с образованием опорно-уплотнительных узлов (рис.5) [А.с. 1379549, СССР], отличающихся от серийных подшипников со встроенными резиновыми пылезащитными уплотнениями работоспособностью при повышенных давлениях и температурах РЖ. Большой эффект по снижению габаритов и повышению надежности следует ожидать и при использовании уплотнений «Кобра» в комплексных подшипниковых узлах для автомобильных колес.

Благодаря работоспособности при повышенных давлениях уплотнения «Кобра» весьма перспективны не только для гидромашин, но и для редукторов и подшипниковых узлов различных машин, так как при их использовании исключаются сапуны и, тем самым, дополнительно увеличивается надежность машин за счет предотвращения попадания в масло пыли и влаги из окружающей среды.

Стендовые испытания однокаскадных уплотнений «Кобра» в режиме автомобильной трансмиссии показали, что срок их службы не менее чем в 2 – 3 раза больше срока службы штатных резиновых манжет.

Испытание дублированного варианта уплотнений «Кобра» на АО «Завод Редуктор» (г. Санкт-Петербург) также подтвердили многократное увеличение срока службы при замене ими штатных резиновых манжет в червячных редукторах.

Освоение производства двухкаскадных уплотнений «Кобра» на Ковровском и Подольском электромеханических заводах в 1984 г. позволило полностью решить проблему надежной работы ГМ, выпускаемых этими заводами.

В настоящее время одно- и двухкаскадные уплотнения «Кобра» (рис. 4 и 6) для валов диаметром 25-60 мм выпускает фирма ЭЛКОНТ [5].

Кроме быстроходных валов ГМ пластмассовые уплотнения все шире используют и в медленно вращающихся соединениях гидрошарниров и гидроколлекторов высокого давления (рис.7) вместо ранее применявшихся уплотнений, состоящих из резиновых колец по ГОСТ 9833-73 с защитными шайбами. В связи с малыми скоростями и невысокой цикличностью нагрузок таких соединений и небольшим тепловыделением при трении в уплотнениях достаточно надежно работают простейшие кольцевые уплотнения из антифрикционных пластмасс с поджимным элементом круглого или прямоугольного сечения из резины (см. рис. 7, I).

В такой конструкции скользящий элемент выполнен из прочной антифрикционной пластмассы типа Ф4К20 или полиэфира, поэтому не требует дополнительной защиты от выдавливания в зазоры (до 0, 2 мм) и надежно работает при давлении до 30 МПа и окружной скорости до 0, 2 м/с. Отсутствие защитных колец позволяет уменьшить осевой размер уплотнения и ширину посадочной канавки в соединениях диаметром около 100 мм с 7 до 4 мм, что при большом числе уплотнений в гидроколлекторе существенно сказывается на снижении его осевого габарита.

Введение на рабочей поверхности уплотнителя заходных фасок и кольцевых канавок треугольной формы, кроме снижения сил трения, улучшает условия сборки, так как наличие заходных фасок на уплотнителе позволяет уменьшить заходные фаски на вставляемой в уплотнение детали.

Высокая износостойкость и малое трение пластмассового скользящего элемента обеспечивают более широкие по сравнению с резиновыми кольцами области применения уплотнения по допустимым скоростям и давлениям и многократно увеличенный срок службы при практически полной герметичности.

Простота, компактность и высокая надежность пластмассовых уплотнений гидрошарниров расширяет область применения гибких трубопроводов с жесткими шарнирно сочлененными трубами и повышает их конкурентоспособность по сравнению с традиционными резинометаллическими рукавами. Благодаря малым силам трениям пластмассовые уплотнения перспективны для герметизации шпинделей пробковых и шаровых кранов, задвижек и вентилей. Они также находят применений в тихоходных (до 1, 5 м/с)  подшипниковых узлах катков и опорных роликах конвейеров.

Пластмассовые уплотнения этого типа также выпускаются фирмой ЭЛКОНТ [5].

Список литературы:

1. Овандер В.Б. Высоконадежные методы и средства герметизации гидропневмосмазочных систем в станкостроении. М.: ВНИИТЭМР. 1986.
2. Овандер В.Б. Современные концепции уплотнительной техники в гидроприводостроении. Технология: Серия «Гибкие производственные системы и робототехника» 1990. №6. С. 104-112
3. Овандер В.Б. Современные уплотнения гидропневмосистем металлообрабатывающего оборудования и промышленных роботов. М.: НИИМаш, 1982.
4. Овандер В.Б., Чиндяскин Б.А., Шкурко Л.С. Малогабаритное радиально-торцовое уплотнение для вращающихся валов. Эксплуатация, модернизация и ремонт оборудования в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. ЦНИИТЭИ нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, 1982. С.40-44
5. Уплотнения и опоры из полимерных и композитных материалов для гидроцилиндров и валов гидромашин: Каталог фирмы ЭЛКОНТ. 1996.