Уплътнения

Част II. Приложни характеристики на контактни уплътнения

  Уважаеми читатели, в предишна статия, разгледана на страниците на сп. Инженеринг ревю, стартирахме темата за уплътненията. Подчертахме, че от качествената работа на уплътнителното устройство и главно от неговата херметичност в много голяма степен зависят експлоатационните характеристики на машините. Обект на разглеждане в публикацията бяха терминологията в областта на уплътняването, многообразието от използвани конструкции и материали, базовите принципи на уплътняването, видовете и някои конструкции контактни уплътнения. В настоящия материал продължаваме темата с:

Набивки (салникови уплътнения)
Набивките са уплътнителни устройства с предварително натягане, които още се наричат и салникови уплътнения. Използват се като неподвижни уплътнения, както и за уплътняване на части, извършващи въртеливо, постъпателно-възвратно и винтово движение. Набивките намират приложение и като температурни компенсатори, в лагерните възли, в тръбопроводната арматура и т.н.
Съществуващите салникови уплътнения основно работят чрез осов (челен) натиск върху мек уплътнител (салникова набивка), поместен в специално оформено уплътнително пространство, наречено салникова камера. Осовият натиск върху набивката се създава от салниковата втулка чрез притягането й с болтове или оформянето й с резба като притискаща гайка. Силата на натиск създава по челото на набивката повърхностно налягане рс. Тъй като тя е от мек материал, който е пропит с уплътнителна смазка (гъста течност), осовото налягане се предава равномерно във всички посоки, като предизвиква и радиално контактно налягане рr върху цилиндричните повърхнини на камерата и на стеблото (вала). Поради триенето на уплътнителя (набивката) по стените на камерата, началната стойност рс намалява по височината на камерата. За осигуряване на херметичност на уплътнението налягането в края на  камерата (към работната среда) трябва да бъде по-голямо или равно на условното налягане на средата ру.

Материали за салникови уплътнения
Конструктивните размери на едно салниково уплътнение се определят на базата на експлоатационен опит от съответни конструктивни съотношения. За газове и пара се приемат по-големи стойности.
Салниковите набивки най-често са от лоени, азбесто-графитни, памучно-графитни и други материали, пропити с антифрикционна смазка. Набивките се изработват във вид на уплътнителен профилиран шнур с кръгло или квадратно сечение. Използват се и пакети от отделни профилирани пръстени.
Тъй като по време на работа набивката се износва (смазката от нея изтича, т.е. тя намалява обема си), е необходимо тя да се дозатяга периодично.

Уплътнения без притягане
Съществуват и салникови уплътнения, които работят без притягане, за сметка на еластичността на мек уплътнител. Подобни уплътнения не се регулират. На фиг. 1а е показано уплътнение с пръстен от кече, филц, плътен шнур или гумирана тъкан, поместено в канал с трапецовиден профил в тялото на капачката. На фиг. 1б може да се види уплътнение с притискаща шайба. Съответно на фиг. 1в и г са показани конструкции на уплътнения с притискаща гайка и с еластична връзка (пружина). Размерите на пръстените и каналите са стандартизирани по БДС 3608-59.
Уплътненията с пръстен от кече или филц намират голямо приложение в лагерните възли за уплътняване при смазване с консистентни смазки и по-рядко с масла. Между вала (1) и тялото (2) (фиг. 1а) се предписва хлабина Jr = 0,25 ё 0,4 mm за компенсация на възможна ексцентричност. Тези уплътнения работят добре в температурния интервал от -50 до 120 °С при периферни скорости до 10 m/s. Коефициентът на триене при наличие на смазка е m= 0,15. Уплътнителят поема абразивни и метални частици и предпазва вала от задиране.
По-рядко се срещат и конструкции на салникови уплътнения с твърди уплътнителни пръстени от антифрикционни сплави. Чрез прилагане на осово усилие те се притискат радиално към вала по цялата дължина на устройството.

Уплътнения с пръстени
Уплътненията с пръстеновиден уплътнител са намерили широко разпространение при неподвижни и подвижни съединения поради ниската себестойност, малките габарити, лесните монтаж и поддръжка, отсъствието на необходимост от регулировка, възможността за приложение при различни налягания и температури, сравнително ниските загуби от триене и др.
Различните изисквания и условия на експлоатация са довели до голямо разнообразие от профили и сечения на пръстените.

О-пръстени
При тях уплътнителният елемент представлява гумен пръстен с кръгло сечение (тор). О-пръстените са известни отдавна и са патентовани през 1863 г. Намират широко приложение при пневматични и хидравлични устройства за уплътняване на подвижни детайли с възвратно-постъпателно и осцилиращо движение при рр Ј 10 МРа и температури от -50 до +120 °С. Ако конструкцията е специална - със защитни опорни пръстени и хлабини, не по-големи от 100 mm, се използват и при по-големи налягания - над 20 МРа.
В зависимост от това дали уплътняваните повърхнини са равнинни или цилиндрични, при неподвижни детайли уплътненията са челни и радиални.
Уплътняването с О-пръстен се постига благодарение на това, че гуменият пръстен с диаметър S1 се поставя в канал. Височината на канала S винаги е по-малка от диаметъра на пръстена S » (0,75 ё 0,85)S1. След монтиране на спрегнатия детайл, пръстенът се деформира (смачква) и вследствие на тази еластична деформация, между пръстена и уплътнявания детайл се създава контактна зона с дължина l и максимално налягане ркmax . Работната среда с налягане рр прониква между уплътняваните повърхнини, притиска страничната повърхнина на деформирания пръстен и с това увеличава деформацията му. Едновременно се наблюдава и преразпределение и увеличаване на контактното налягане. Дължината на контактната площ l също се променя, като изменението й е в зависимост от рр и твърдостта на гумата по Шор. По този начин се наблюдава ефект на самоуплътняване, който подобрява херметичността на съединението.
Като недостатък на уплътняването с О-пръстен може да се посочи навлизането на материала на уплътнителя в уплътняваната хлабина, под действие на налягането на работната среда рр, което води до разрушаване на пръстена. Степента на навлизането зависи от рр, както и от хлабината между уплътняваните повърхнини и твърдостта на гумата.

При подвижни уплътнения се поставят опорни пръстени
Размерите на О-пръстените и съответните канали са стандартизирани в широк диапазон. Препоръчват се следните форми на сечението на каналите (фиг. 2а): 1 - правоъгълно с наклон на стените 0 ё 5° и радиуси на закръгление R і 0,5 mm и r = 0,15 mm; 2 - с опорен пръстен; 3 - V-образно за среди при ниски температури; 4 - със скосяване, при което се намалява навлизането на пръстена в хлабината.
Поради евентуално набъбване на пръстена, сечението на каналите обикновено е с 15% по-голямо от сечението на пръстена. Широчината на канала е h=(1,2 ё 1,5)S1 за неподвижни съединения и h=(1,5ё2)S1 за уплътнения с постъпателно движение на частите, благодарение на което се дава възможност за превъртане на пръстена при работа. В този случай, за намаляване на загубите от триене е желателно да се работи с по-малки относителни деформации.
Грапавостта на повърхнините, контактуващи с пръстена, се избира Ra = 1,25 до 0,32 mm. При подвижни уплътнения се поставят опорни пръстени за предотвратяване на навлизането на уплътнителя в хлабината. Изработват се от пластмаса, кожа или твърда гума. Типични неподвижни уплътнения с гумени О-пръстени са показани на фиг. 2б.

Използват се и за уплътняване на въртящи се валове
Сравнително рядко О-пръстените се използват и за уплътняване на въртящи се валове при w < 300 s-1. В подобни приложения пръстенът е перпендикулярен или наклонен спрямо оста на вала.
Надеждността на уплътнението зависи от периферната скорост, която се ограничава до 3 m/s поради влошеното топлоотвеждане. Натягът на пръстена в тялото трябва да бъде 2,5 - 3 пъти по-голям от натяга по вала.
Използва се гума с твърдост, по-висока от 70 единици по Шор. Широчината на контактната площ l, както и при уплътненията за постъпателно-възвратно движение, зависи от степента на деформация на пръстена.

Пръстени с други профили на сечението
Наред с O-пръстените, се използват и уплътнителни пръстени с Х-образен профил. Х-пръстените се използват за уплътняване на постъпателно движещи се части и имат четири контактуващи повърхнини. Празнините между двата издатъка служат за резервоар на работния флуид, който изпълнява функциите на смазка и намалява триенето. Предимство на тези пръстени спрямо О-пръстените е по-малката контактна повърхнина, отсъствието на превъртане и усукване в каналите. Сравнителни изпитания на двата вида пръстени показват, че Х-пръстените осигуряват по-голяма надеждност (около 4 - 5 пъти по-малки утечки на двоен ход). Х-пръстените могат да се монтират в същите канали, както О-пръстените, но приложението им се ограничава поради по-голямата сложност на пресформите за изработване.
По-технологични от О- и Х-пръстените са тези с правоъгълно сечение. Като радиални уплътнения те се използват за постъпателно-възвратно движещи се детайли. При тях контактното налягане между пръстена и уплътняваната повърхнина възниква вследствие на по-голямата (с 0,1 - 0,2 mm) височина на пръстена в сравнение с тази на канала. При по-големи работни налягания и при пръстените с правоъгълно сечение се наблюдава ефект на самоуплътняване и проникване на материала на пръстена в хлабината между детайлите. За предотвратяване на посочения ефект и удължаване на дълготрайността на пръстена се препоръчва скосяване на стената му откъм страната с ниско налягане. Като челни неподвижни уплътнения пръстените с правоъгълно сечение намират приложение за уплътняване на винтови съединения. Размерите им са стандартизирани.