Уплътнения

Механични системиСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 7, 2009

Основи на теорията на уплътняването, плоски гарнитури

 Уплътненията намират широко приложение в съвременните хидро- и пневмозадвижвания, в тръбопроводните инсталации и арматурата, в лагерните възли, буталните машини и много други. От качествената работа на уплътнителното устройство и главно от неговата херметичност в много голяма степен зависят експлоатационните характеристики на машините (мощност, производителност, КПД), както и износоустойчивостта и дълготрайността на техните триещи се части.

Терминология в областта на уплътненията
Уплътненията са устройства, предназначени да осигуряват херметичност в определено място на изделието. Представляват съвкупност от уплътнявани детайли (най-малко два). Те могат да бъдат взаимно спрегнати, както и с уплътняващ материал или уплътнител между тях. Също така уплътненията предпазват машинните части и възли от проникване на прах, влага и други замърсявания.
Уплътнителната техника изучава начините и техническите средства за уплътняване, уплътненията и уплътняващите материали, както и методите, и средствата за контрол на херметичността.
Уплътняването е процес, при който с методите на уплътнителната техника се осигурява херметичност на изделията.
Oбемните загуби (утечки) за конструкции, работещи с налягане, по-голямо от атмосферното, се определят като сумарният поток през всички неплътности на конструкцията. Утечките се измерват в mm3(MPa/s).
Херметичността е свойство на изделията (съдове, системи) да не пропускат газообразна или течна среда през изграждащите ги стени и съединения. Измерва се в s/MPa. За конструкции със затворен обем херметичността е пропорционална на обема и обратно пропорционална на утечките. Физическият смисъл на херметичността представлява времето, необходимо за изменение с единица на налягането във вътрешния обем на конструкцията.
Уплътнителят е тяло (детайл) с определена форма, размери и материал. Най-често това е хомогенно тяло от еластичен, пластичен или твърд материал. Съществуват и сложни уплътнители от различни материали, разпределени по определен начин в границите на избраните форми и размери.

Многообразие от конструкции и материали
Уплътненията на различните съвременни машини, съдове под налягане, тръбопроводи и други устройства и възли трябва да работят надеждно при различни условия  характер и скорост на движението, налягане, температура, агресивност на средата и т.н. Ето защо съществуват много конструкции на уплътнителни устройства, постоянно се създават и патентоват нови, изпитват се и се прилагат нови материали за уплътнители.
Основните показатели, по които се избират и сравняват уплътненията, са:
l Степен на херметичност;
l Загуби от триене;
l Износоустойчивост, която да гарантира необходимата херметичност през експлоатационния период;
l Максимална експлоатационна трайност, по възможност не по-малка от тази на машината или съоръжението, в която е монтирано уплътнението;
l Малки габарити, лесен монтаж и демонтаж, удобно наблюдение на работата и състоянието на уплътнението;
l Устойчивост на формата на уплътнителя в средата на уплътнявания флуид;
l Корозионна пасивност спрямо спрегнатите детайли.

Базови принципи на уплътняването
Съвременната теория за уплътненията не е достатъчно пълна и не може да удовлетвори всички изброени изисквания за дадено уплътнение. Затова  по отношение на всяка отделна конструкция е необходимо да се предприемат експериментални изследвания и продължителни експлоатационни наблюдения.
За да се обяснят принципите на уплътняването, могат да се разгледат две изолирани пространства I и II (фиг. 1), които са запълнени с флуиди с еднакво или различно налягане. Тези пространства обикновено се разделят от междината m между съвместно работещите (спрегнати) детайли 1 и 2. Определена степен на херметичност между двете изолирани пространства може да се постигне или чрез намаляване на междината m (фиг. 1а), или посредством преграждане пътя на флуида с помощта на уплътнителя 3 (фиг. 1б), който се притиска с определена сила F.
Уплътняваните работни повърхнини, които образуват уплътняваната междина, могат да имат различна форма. Най-често се срещат уплътненията за равнинни и за цилиндрични повърхнини. Освен това тези повърхнини могат да бъдат относително неподвижни или подвижни една спрямо друга. От своя страна, относителните движения на уплътняваните детайли биват ротационни, възвратно-постъпателно или комбинирани.

При
подвижните уплътнения
не е възможно да се постигне абсолютна херметичност между уплътняваните пространства. Уплътняването в този случай се постига по два начина:
При намаляване на междината m, съпротивлението на преминаване на флуида през тесен процеп се увеличава многократно, с което се постига ограничаване на обемните загуби. Уплътненията, работещи на основата на подобен принцип, се наричат безконтактни.
Вторият начин включва вграждане в междината m, в специално оформено уплътнително пространство, на уплътнителен елемент (уплътнител), който прегражда и не позволява протичане на флуида. Уплътненията, които работят на основата на този принцип, се наричат контактни.
При контактните уплътнения между неподвижни детайли може да се постигне пълна херметичност и голяма експлоатационна дълготрайност.

Основните видове материали
наричани още бази, от които се изработват уплътнителите за различни налягания, работни среди и температури, са:
l Еластомери (бутадиен нитрилен, естествен, полиизопренов, полихлоропренов, флуор или силиконов каучук);
l Термопласти  полиамиди (видлон, рилсан и др.), полиуретан, полиацетал, политетрафлуоретилен (флуоропласт, тефлон);
l Твърди материали  метали (чугун, стомана, мед, бронз, алуминий), антифрикционни металокерамични материали, графит, паронит, азбест, картон и др.
Уплътненията се класифицират според различни признаци, включително: принцип на работа; характер на движението; сечение на уплътнителя; големината на работното налягане и температурата; материал и начин на изработване на уплътнителите и уплътнителните полуфабрикати. Основни са първите два признака и класификацията на уплътненията според тях е показана на фиг. 2а и б.

Контактни уплътнения
Контактните уплътнения са поуниверсални и затова намират голямо приложение в техниката. Употребяват се както за подвижни, така и за неподвижни повърхнини. Като се изключат уплътненията посредством напасвани детайли и уплътняващи обмазки (течни, полутечни, силикони) и покрития, контактните уплътнения се осъществяват с помощта на различни уплътнители.
Според конструкцията и принципа за осъществяване на херметичност, контактните уплътнения могат да се разделят на няколко групи:
Уплътнения с предварително натягане. При тях уплътнителите се поставят в тялото на устройството и натискът върху тях се регулира периодично (най-често с помощта на резбово съединение). Към тази група уплътнения се отнасят плоските гарнитури и набивките.
Автоматични уплътнения. Характерно за тях е, че налягането на работната среда притиска автоматично уплътнителя и той не се нуждае от регулировка. Към групата се отнасят еластичните пръстени, всички видове маншети и шевронни пакети.
Радиални валови уплътнения. При тях еластичен (т. нар. семеринг) или твърд уплътнител, състоящ се от отделни сегменти, се притискат радиално към вала с помощта на пружини, а аксиално към канала от работната среда. Към тази група спадат и сегментните уплътнители (бутални пръстени);
Челни валови уплътнения. Херметичността при тях се постига чрез притискане и триене на челните повърхнини на уплътнителите във вид на пръстени.

Уплътнения с подложки (плоски гарнитури)
Представляват уплътнители от различен материал със сравнително малка дебелина, които се притискат между уплътняваните повърхнини. Използват се гарнитури с различна конфигурация, например за картери, цилиндрови глави, хидравлични панели и други. Най-голямо приложение намират пръстенообразните гумени и паронитови уплътнителни подложки за кръгли фланцови съединения. В този случай подложката може да бъде поставена между плоските чела на фланците (а) или да се вгради в канал (б) фиг. 3. На илюстрацията са показани размерите на уплътнителната подложка преди деформирането й. При по-големи налягания върху челата се оформят канали и бразди за осигуряване на подложката срещу деформация и изместване.
За да се осигури херметичност, е необходимо материалът на уплътнителната подложка да проникне между микрограпавините на уплътняваните метални повърхнини (фиг. 4). Това се постига чрез еластични и пластични деформации на подложката, с което се компенсират и отклоненията от геометричната форма и деформациите на уплътнителните повърхнини.

Коефициент на уплътнение куп
Контактното налягане, което определя херметичността на уплътнението, зависи от: силата, създадена от затягането на болтовете на фланците; силата от работната среда (флуид); работното налягане рр; деформацията на уплътняваните повърхнини, топлинните деформации; въздействието на околната среда и редица други фактори, които се стремят да нарушат правилната работа на уплътнението.
При наличие на налягане на работната среда рр осигуряването на плътност между две повърхнини с определен клас на грапавост е възможно, ако между тях съществува контактно налягане руп, винаги по-голямо от рр. Отношението между тези налягания се дефинира като коефициент на уплътнение  куп= руп/ рр >1.
За свободни гарнитури, които не са поставени в канал (фиг. 3а), коефициентът куп се определя от условието, че уплътнителната подложка не трябва да се разтегля и измества радиално. Това ще бъде изпълнено, ако силата на триене между подложката и уплътняваните повърхнини, е по-голяма от силата, с която работната среда действа по страничната повърхнина на гарнитурата.
Коефициентът куп зависи от материала и конструкцията на уплътнението. Ориентировъчно стойността му е:
l куп = 2 до 2,5 за меки подложки (гума, термопласти);
l куп » 3,5 за метални подложки. За тесни подложки стойността на коефициента се увеличава.
l куп = 1  допуска се за гарнитури, които са вградени в канали (виж фиг. 3б).
От якостна гледна точка, след монтажа на съединението, когато липсва работното налягане рр на флуида, подложката е най-неблагоприятно натоварена с едно предварително налягане рупо>руп, под действието на което тя не трябва да се смачква.
При вече монтирано съединение силата на притискане между фланците е определена от затягането на болтовете и повишаването на рр, (респ. силата от работната среда) довежда до намаляване на руп. При това при свободни уплътнителни подложки може да се получи пълно нарушаване на херметичността на съединението (руп Ј рр ).
При подложки, поставени в канали (фиг. 3б) в зависимост от предварителната относителна деформация e (за гума се приема e Ј  0,25), твърдостта на подложката и радиалната хлабина Jr се наблюдава т.нар. ефект на самоуплътняване, при който под действие на работното налягане подложката се деформира радиално, притиска се към стената на канала и в резултат уплътнителното налягане автоматически се увеличава. На фиг. 5 е показано изменението на руп = f(pp) за свободно поставена подложка  линията ABD и за подложка, поставена в канал  линията АВС. Положението на т. В (стойностите руп’ и pp’) зависи от посочените по-горе фактори. Ако подложката се монтира без хлабина в канала (Jr = 0), то повишаването на руп може да започне още от т. А (прекъсваната линия АС’).
Материалите за уплътнителни подложки се набират в зависимост от рр, вида на средата, нейната агресивност и температура от таблици в литературата или стандартите. Използват се: гума, картон, азбест, паронит, поливинилхлорид, мека стомана или алуминий, неръждаема стомана.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top