Принцип уплотнения уплотнительного кольца
Уплотнительное кольцо, также известное как O-ring, представляет собой резиновое кольцо с круглым поперечным сечением. Это наиболее широко используемое уплотнение в гидравлических и пневматических системах. Уплотнительные кольца обладают превосходными уплотнительными свойствами и могут использоваться как для статических, так и для возвратно-поступательных уплотнений. Они могут использоваться независимо и являются фундаментальным компонентом многих модульных систем уплотнения. Они имеют широкий спектр применения. При правильном выборе материала они могут соответствовать требованиям различных условий эксплуатации. Рабочее давление варьируется от вакуума 1,333 × 10⁵ Па до высокого давления 400 МПа, а температура колеблется от -60°C до 200°C.
По сравнению с другими типами уплотнений, уплотнительные кольца имеют следующие преимущества:
1) Небольшой размер и простота сборки и разборки.
2) Могут использоваться как для статического, так и для динамического уплотнения, практически без утечек при использовании в качестве статического уплотнения.
3) Одно уплотнительное кольцо обеспечивает двунаправленное уплотнение.
4) Низкое динамическое трение.
Уплотнительное кольцо является типом экструзионного уплотнения. Его основной принцип работы основан на упругой деформации уплотнительного элемента, создающей контактное давление на уплотнительной поверхности. Если контактное давление превышает внутреннее давление уплотняемой среды, произойдет утечка; в противном случае произойдет утечка. Причины и методы расчета контактного давления на уплотнительной поверхности различаются для статических и динамических уплотнений и требуют отдельных пояснений.
1. Принцип уплотнения для статических уплотнений
Уплотнительные кольца наиболее широко используются в статических уплотнениях. При правильном проектировании и использовании уплотнительные кольца могут обеспечить герметичное, абсолютное уплотнение.
После установки уплотнительного кольца в уплотнительную канавку его поперечное сечение подвергается контактному напряжению сжатия, вызывая упругую деформацию. Это создает определенное начальное контактное давление Po на контактной поверхности. Даже при отсутствии или очень низком давлении уплотнительное кольцо сохраняет уплотнение благодаря собственной упругой силе. Когда среда под давлением попадает в камеру, уплотнительное кольцо смещается к стороне с более низким давлением под воздействием давления среды, дополнительно увеличивая свою упругую деформацию, чтобы заполнить и закрыть зазор δ. В этот момент контактное давление на сопрягаемых поверхностях уплотнительной пары возрастает до Pm:
Pm=Po+Pp
Где Pp - контактное давление, передаваемое на контактную поверхность через уплотнительное кольцо (0,1 МПа).
Pp=K·P
K - коэффициент передачи давления, при этом K=1 для резиновых уплотнительных колец;
P - давление уплотняемой жидкости (0,1 МПа).
Это значительно усиливает эффект уплотнения. Поскольку K обычно ≥ 1, Pm>P. Поэтому, пока на уплотнительном кольце есть начальное давление, оно может обеспечить герметичное, абсолютное уплотнение. Это свойство уплотнительного кольца, которое полагается на давление самой среды для изменения контактного состояния уплотнительного кольца и достижения уплотнения, называется самогерметизацией.
Теоретически, даже если деформация сжатия равна нулю, оно все равно может уплотнять под давлением масла. Однако на практике уплотнительные кольца могут быть эксцентричными во время установки. Поэтому после установки уплотнительного кольца в уплотнительную канавку его поперечное сечение обычно испытывает деформацию сжатия 7%-30%. Более высокое отношение сжатия используется для статических уплотнений, а более низкое - для динамических уплотнений. Это связано с тем, что синтетический каучук сжимается при низких температурах, поэтому предварительное сжатие статических уплотнительных колец должно учитывать его усадку при низких температурах.
2. Принципы уплотнения для уплотнений возвратно-поступательного движения
Уплотнения возвратно-поступательного движения являются распространенным требованием к уплотнению в гидравлических и пневматических компонентах и системах. Уплотнения возвратно-поступательного движения используются в поршнях и корпусах цилиндров, вставках поршень-цилиндр и головках цилиндров, а также в различных типах золотниковых клапанов. Зазор образуется между цилиндрическим стержнем и цилиндрическим отверстием, внутри которого стержень перемещается в осевом направлении. Уплотнение ограничивает осевую утечку жидкости. При использовании в качестве уплотнения возвратно-поступательного движения предварительное уплотнение и самогерметизирующие свойства уплотнительного кольца аналогичны свойствам статических уплотнений. Кроме того, благодаря своей присущей эластичности уплотнительное кольцо может автоматически компенсировать износ. Однако при уплотнении жидких сред ситуация сложнее, чем со статическими уплотнениями, из-за влияния скорости стержня, давления жидкости и вязкости.
Когда жидкости находятся под давлением, молекулы жидкости взаимодействуют с металлической поверхностью. Полярные молекулы в масле плотно и равномерно выстраиваются на металлической поверхности, образуя прочную граничную пленку между скользящей поверхностью и уплотнением, которая оказывает сильное сцепление со скользящей поверхностью. Эта жидкая пленка всегда существует между уплотнением и возвратно-поступательной поверхностью, обеспечивая определенную степень уплотнения и имея решающее значение для смазки движущейся уплотнительной поверхности. Однако это вредно для утечек. Когда возвратно-поступательный вал вытягивается наружу, жидкая пленка на валу вытягивается вместе с ним. Из-за «вытирающего» действия уплотнения, когда возвратно-поступательный вал втягивается, эта жидкая пленка удерживается снаружи уплотнительным элементом. По мере увеличения количества возвратно-поступательных ходов снаружи удерживается больше жидкости, в конечном итоге образуя капли масла, которые представляют собой утечку в уплотнениях возвратно-поступательного движения. Поскольку вязкость гидравлического масла уменьшается с повышением температуры, толщина масляной пленки соответственно уменьшается. Поэтому при запуске гидравлического оборудования при низких температурах утечка больше в начале движения. По мере повышения температуры из-за различных потерь во время движения утечка имеет тенденцию постепенно уменьшаться.
Уплотнительные кольца, как уплотнения возвратно-поступательного движения, компактны и имеют небольшие размеры и в основном используются в:
1) Гидравлических компонентах низкого давления, обычно ограничивающихся короткими ходами и средним давлением около 10 МПа.
2) Золотниковых клапанах гидравлических систем малого диаметра с коротким ходом и средним давлением.
3) Пневматических золотниковых клапанах и цилиндрах.
4) В качестве эластомеров в комбинированных уплотнениях возвратно-поступательного движения.
Уплотнительные кольца лучше всего подходят в качестве уплотнений возвратно-поступательного движения для малых диаметров, коротких ходов и низкого-среднего давления, например, в возвратно-поступательных компонентах, таких как пневматические цилиндры и золотниковые клапаны. В гидравлических компонентах использование уплотнительных колец в качестве основных динамических уплотнений обычно ограничивается короткими ходами и средним-низким давлением около 10 МПа. Уплотнительные кольца не подходят для очень низкоскоростных уплотнений возвратно-поступательного движения или в качестве единственного уплотнения для применений возвратно-поступательного движения высокого давления. Это в первую очередь связано с высоким трением в этих условиях, которое может привести к преждевременному выходу уплотнения из строя. В любом применении уплотнение должно использоваться в соответствии с его номинальными данными или производительностью и правильно собрано для достижения удовлетворительных характеристик.
3. Роторные уплотнения
Для роторных уплотнений обычно используются сальники и механические уплотнения. Однако сальники работают при более низких давлениях и больше, сложнее и менее технологичны, чем уплотнительные кольца. В то время как механические уплотнения могут работать при высоких давлениях (40 МПа), высоких скоростях (50 м/с) и высоких температурах (400°C), их более сложная и громоздкая структура и высокая стоимость делают их пригодными только для тяжелой техники в нефтяной и химической промышленности.
Основной проблемой уплотнительных колец для роторных применений является нагрев Джоуля. Это фрикционное тепло, генерируемое в точке контакта между высокоскоростным вращающимся валом и уплотнительным кольцом, вызывает непрерывное повышение температуры этих точек контакта, сильно деформируя резиновый материал и вызывая изменения сжатия и удлинения. Это тепло также ускоряет старение уплотнительного материала, снижая срок службы уплотнительного кольца. Оно также разрушает уплотнительную масляную пленку, вызывая разрыв масла и ускоряя износ уплотнения.
Основываясь на вышеизложенном, в последние годы как в стране, так и за рубежом были проведены обширные и углубленные исследования уплотнительных колец для вращательного движения. Чтобы избежать нагрева Джоуля, ключ заключается в правильном выборе структурных параметров уплотнительного кольца на основе свойств резины, в первую очередь удлинения и коэффициента сжатия уплотнительного кольца. Экспериментальные исследования показали, что уплотнительные кольца для вращательного движения должны быть спроектированы с внутренним диаметром, равным или немного большим, чем диаметр вращающегося вала, обычно на 3% - 5% больше. Во время установки уплотнительное кольцо сжимается от внутреннего диаметра внутрь, а сжатие поперечного сечения должно быть минимальным, обычно около 5%. Кроме того, по возможности используются уплотнительные материалы с минимальным тепловым воздействием, и уделяется должное внимание отводу тепла в месте установки уплотнительного кольца. Это значительно улучшает характеристики уплотнительных колец, позволяя использовать их для уплотнения вращающихся валов со скоростью до 4 м/с.
В последнее время появились термостойкая фторкаучуковая и износостойкая полиуретановая резина, и с более глубоким пониманием эффекта нагрева Джоуля в резиновых компонентах были разработаны решения для решения этой проблемы, что привело к разработке новых конструкций уплотнений уплотнительных колец, которые лучше подходят для высокоскоростного вращательного движения под высоким давлением.
Уплотнительные кольца широко используются в устройствах уплотнения вращательного движения благодаря своим небольшим размерам, простой конструкции, низкой стоимости, хорошим технологическим характеристикам и широкому спектру применения.