Радиални уплътнители за валове

Инструменти, материалиСп. Инженеринг ревю - брой 8/2017 • 30.11.2017

Радиални уплътнители за валове
Радиални уплътнители за валове

Ротационните уплътнения и уплътненията за валове се използват в компоненти с осцилиращи (възвратно-постъпателни) движения или въртящи се такива, за да задържат смазочните течности, като предотвратяват навлизането на кал и вода. Със специалните уплътнения, като радиални уплътнители за валове и радиални уплътняващи устни, обхватът на приложенията надхвърля флуидното уплътнение. Тази специална форма на семеринги за ротационни валове може да служи и като скрепер в приложения със спирално движение.

Съответните изисквания насочени към ротационните семеринги от потребители и законодатели непрекъснато се увеличават. Освен това големият брой смазочни материали, които се предлагат на пазара днес, създава особени предизвикателства пред производителите на семеринги и потребителите им.

Ротационни уплътнители (семеринги)
Контактната площ на ротационното уплътнение изпълнява две основни функции. В повечето приложения основната функция на зоната за контакт е да задържа лагерната или системната смазка вътре в системата, като избегне изтичане, което би навредило на околната среда. 

Втората функция на ротационните семеринги е да се предотврати всякакво проникване на външни замърсители в системата и по този начин да се елиминира възможността за замърсяване на смазочното вещество и повреда на чувствителните компоненти в системата. Видът на замърсяването зависи от конкретното приложение. Типичните външни замърсители включват влага и вода, както и сухи частици като прах, пясъчна мръсотия или производствени остатъци.

Благодарение на способността им да поддържат оптимално количество смазочен материал, да редуцират топлината от триене и да осигуряват запечатване срещу външни замърсители, ротационните семеринги значително влияят върху експлоатационния живот на всички компоненти, които изискват смазване - като лагери и скоростни кутии - и по този начин на експлоатационния живот на цялата система.

Плъзгащият се контакт между уплътняващата устна или уплътняващия контур и въртящия се вал създава триене. Това триене може очевидно да повиши температурата над нивото, създадено от лагера и други компоненти. Топлината, причинена от триенето, ускорява разлагането на смазочните материали, особено когато се използват минерални масла, и води до образуване на отлагания в горещите места. 

С течение на времето това води до все по-дебел въглероден слой с абразивни частици, докато маслото губи своите мажещи свойства. Колко бързо ще настъпи загубата на мажещите свойства зависи от температурата. Особено в случаите на радиални уплътнения за валове, въглеродният слой може да повдигне или изтрие уплътнителната устна, което в крайна сметка води до изтичане. Опитът показва, че експлоатационният живот на дадена система може да бъде намален наполовина с всяко увеличение на температурата с 10°С в зоната за контакт. 

Следователно уплътняването, което може да съществува години в умерени условия, е възможно да поддаде в рамките на много кратък период от време в случай на значително високи температури. Топлинната от триене, генерирана при функциониране на уплътнението, може да ускори втвърдяването на еластомерното съединение или пластмаса, особено в контактната зона между уплътняващата устна и вала. 

В случай на еластомерни съединения на базата на нитрил-бутадиен-каучук (NBR) това води до осови пукнатини, които стават все по-големи с течение на времето и в крайна сметка водят до неизправност на уплътнението. Следователно, за да се увеличи максимално експлоатационният живот на ротационните уплътнители, трябва да се генерира възможно най-малка топлина от триене в контактната зона между уплътнението и повърхността на вала.

Радиални уплътнители за валове
В продължение на десетилетия радиалните уплътнители за валове са били широко използван стандартен уплътняващ елемент за запечатване на въртящите се валове при приложения с нехерметизирано инжектиране на смазочно масло или пълно потапяне на уплътнението и вала. Освен това в хидравлични системи като помпи и двигатели се използват специални конструкции, които позволяват надеждно уплътняване при ниски или средни разлики в налягането. 

В същото време тези уплътнения служат за предотвратяване на навлизането на замърсявания от околната среда и на пръски вода в системата. Уплътнителните елементи се използват в хидравлични системи (хидравлични помпи и двигатели), индустриални предавателни кутии, перални машини, бормашини, вятърни турбини, автомобилната промишленост и в широк спектър от други приложения в машиностроенето.

Радиалните уплътнители за валове обикновено се състоят от метална вложка и еластомерна мембрана с пружинно подсилена уплътнителна устна. Гъвкавата част на уплътнителната устна е вулканизирана към металната вложка вътре в отливката. Радиалната сила на семеринговата устна, която е необходима за уплътняване, се постига чрез разширяване на вътрешния диаметър в зоната на запечатващия ръб на радиалното уплътнение на вала и чрез вмъкнатия пружинен пръстен.

Уплътнителните устни на съвременните радиални уплътнители за валове са проектирани така, че да позволяват на уплътненията гъвкаво да следват радиалното движение на въртящия се вал, без да се упражнява прекомерна радиална сила, която може да доведе до повишено триене и/или тяхното износване. 

Обикновено радиалната сила, свързана с обиколката на радиалните уплътнители за валове, варира приблизително между 0,1 и 0,15 N/mm. При радиални уплътнители за валове под налягане радиалната сила може да се увеличи с коефициент от 2 до 5, което води до по-голямо създаване на топлина при експлоатационни условия.

Някои конструкции на радиални уплътнители за валове имат допълнителна устна, която предпазва основната уплътняваща устна от прах и други замърсители. Подходящ лубрикант в пространството между основната уплътняваща устна и допълнителната може да намали износването и забави корозията. Замърсителите, които са преминали допълнителната устна, в крайна сметка ще причинят повреда на повърхността между двете устни. Натрупването на топлина също може да възникне между двете устни, което води до преждевременно износване.

Радиалните уплътнители за валове се използват в множество приложения. Поради значението им за експлоатационната надеждност и живот на машините и оборудването, стандартизацията в областта е от особено значение. Това е причината за създаването на редица национални и международни стандарти и насоки. Те покриват граничните размери, допуските, спецификациите на използваните материали, методите за изпитване и терминологията, както и основните конструктивни особености на външните диаметри и уплътнителните устни.

При много системи за задвижване може да възникнат условия, при които трябва да се очаква по-висока честота на замърсяване или прах от външната среда. В тези случаи е препоръчително да се използват радиални уплътнители за валове с една или повече отлети прахови уплътнения. Праховите уплътнения предотвратяват проникването на замърсителите под уплътнителната устна, което би допринесло до по-бързо износване на уплътнението. По този начин значително се допринася за функционалната надеждност на уплътнителната система.

Предварителното натоварване на праховото уплътнение се постига единствено чрез припокриване на диаметъра му с диаметъра на вала и еластичните свойства на уплътняващото съединение. Праховото уплътнение е конструирано достатъчно гъвкаво, за да може да следва радиалните движения на вала, без да възниква радиална празнина по време на работа.

Тъй като при определени условия на работа има тенденция да настъпи сухо движение, то е проектирано със значително по-малко припокриване и предварително натоварване, отколкото действителната уплътняваща устна. За да се избегне постоянна суха работа, която би довела до износване на праховото уплътнение, се препоръчва смазване, когато се монтира семерингът. 

Пространството между двете устни може да се използва като склад за смазка. Въпреки това при извършване на първоначалното смазване трябва да се отбележи, че само около 30% от наличното пространство между двете устни се запълва, тъй като прекомерното запълване на това пространство би довело до протичане на смазочни материали, когато уплътнението е натоварено. В случай на едновременно натрупване на налягане това може да доведе до изтичане поради повдигане на уплътнителната устна в екстремни случаи.

Принцип на функциониране 
Радиалните уплътнители за валове осигуряват динамично и статично уплътняване на валовете посредством специално оформена уплътняваща устна, която се подпомага от вграден пружинен пръстен. Статичното уплътняване се постига чрез вкарване на радиална засечка в отвора на корпуса.

Когато валът е в покой, радиалната контактна сила осигурява запечатващия ефект чрез предварително натоварване на еластомерната уплътняваща устна и поставения пружинен пръстен. Когато валът се върти, възниква състояние на смесено триене, при което уплътняващият ръб частично се повдига от вала и смазващото вещество може да мигрира в получената празнина. 

В резултат на микроструктурите, които се появяват в контактната зона на уплътнителната устна, радиалните уплътнения на вала имат известен капацитет за обратно изпомпване, което осигурява задържането на мажещото средство в контактната област и изпомпването му обратно в камерата с налягане. Същевременно, винаги има достатъчно количество смазващо вещество в уплътнителната междина, когато валът се върти, което предотвратява сухото движение в семеринга. Това оказва решаващо влияние върху износването на уплътняващата устна и по този начин върху експлоатационния живот на уплътняващия елемент.

Благодарение на радиалното предварително натоварване в контактната област към вала, уплътняващият ръб е леко сплескан, което води до осова контактна площ с приблизителен размер от 0,2 mm, в която уплътнителната устна непрекъснато се плъзга по вала. При уплътнения под налягане контактната площ се увеличава и може да достигне до 1,5 mm или повече.

Поради геометрията на уплътнителната устна и позицията на линията на пружинния ефект се получава неравномерен натиск на уплътнението върху вала, все по-силен от страната на по-високото налягане. В допълнение към геометрията на уплътняващата устна, това разпределение на натиска оказва съществено влияние върху динамичната възможност за запечатване на радиалното уплътнение за валове.

Новият брой 8/2017

брой 8-2017

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

Top