Лекция 1. Основные понятия и определения
Уплотнительные устройства (уплотнения) применяют в подвижных и неподвижных соединениях конструкций для разделения сред с различными физическими свойствами и (или) параметрами.
Поскольку трудно назвать область техники, в которой не возникала бы проблема герметизации, условия эксплуатации уплотнений весьма разнообразны. Часто именно уплотнения определяют качественные показатели машин, а также допустимые параметры их применения. Неверный выбор уплотнений или их низкое качество, а также неправильная эксплуатация могут привести к отклонениям номинальных показателей работы машин, снижению их надежности и как следствию – большим экономическим потерям.
Уплотнения, как правило, просты по конструкции и имеют малые габариты, но при этом выполняют исключительно ответственные функции. В ряде случаев с помощью простых уплотнительных устройств невозможно достаточно эффективно решить задачу герметизации, поэтому в особо ответственных объектах (например, энергетических установках и аппаратах химических производств) применяют сложные уплотнительные комплексы, которые, кроме уплотнений основного назначения, включают различные системы (обеспечивающие, аварийные, дублирующие).
Тенденция машиностроения к повышению рабочих давлений, скоростей и температур при одновременном снижении массы, приходящейся на единицу мощности машины, в значительной мере ограничена необходимостью изоляции сред. Изделия современного наукоемкого машиностроения насыщены уплотнениями, пневмо- и гидросистемами, рабочим телом которых стали фреон, водород, гелий и другие вещества с высокой проникающей способностью. Любой негерметичный стык разнородных материалов в машинах является потенциальным источником коррозии, что представляет особую опасность в условиях глобального загрязнения атмосферы и обострения экологической ситуации. Вопросы герметизации особенно актуальны для подвижных соединений, ресурс которых определяется процессами трения и изнашивания сопрягаемых поверхностей. Принципиально новые требования к машинам в изменившихся условиях выдвинули герметизацию в число важнейших проблем машиностроения. Герметизация снижает повреждение машин от трения и коррозии, сохраняя их долговечность.
При разделении нескольких сред в машинах, аппаратах и других объектах возникает проблема герметизации соединений. Применение неразъемных соединений, получаемых запрессовкой, пайкой, сваркой, часто бывает недопустимо по условию эксплуатации. В подвижных соединениях кинематических пар и в разъемных неподвижных соединениях герметизация может быть достигнута только в результате применения специальных уплотнительных устройств или особо точных методов механической обработки (взаимной подгонки деталей).
На поверхностях технических изделий всегда имеются дефекты и неровности, возникающие в результате технологической обработки. Поэтому в зоне контакта деталей неизбежно образуются зазоры, по которым может перетекать жидкость или газ под действием перепада давления. Соединение деталей, т.е. конструктивное скрепление деталей для образования из них механизмов, агрегатов, приборов и др., не исключает такую возможность.
Герметизация – обеспечение непроницаемости стенок и соединений в аппаратах, машинах, сооружениях или емкостях для жидкостей и газов. Герметизацию обеспечивают как для подвижных, так и неподвижных сопряжений деталей различных механизмов. Кроме того, разъемные и неразъемные соединения конструктивных элементов должны обладать герметичностью.
Герметичность – свойство многих материальных систем (от техники до живых организмов и природных процессов) и одна из главных проблем обеспечения работоспособности изделий машиностроения. Достигнуть абсолютной герметичности соединений (препятствовать газовому или жидкостному обмену между средами, разделёнными оболочкой) чрезвычайно сложно, так как все технические материалы обладают диффузионной проницаемостью. Для оценки эффективности герметизации используют понятие «степень герметичности». Многие негерметичные в буквальном понимании этого слова соединения обеспечивают степень герметичности машин, достаточную для их работоспособности.
Степень герметичности соединений существенно зависит от физических свойств и физико-химических характеристик герметизируемых сред. Номенклатура сред, изолируемых средствами современной техники, достаточно широка. Это вещества в жидкой и газовой фазе, многофазные системы, отличающиеся размерами кинетических единиц, плотностью, вязкостью, поверхностной энергией, химическим сродством к материалам, из которых выполнены детали соединений. При прочих равных условиях эти параметры определяют скорость проникновения сред по соединениям деталей или проникающую способность герметизируемых сред.
Для обеспечения непроницаемости соединений часто используют специальные герметизирующие материалы, которые заполняют зазоры в контакте деталей конструкционного назначения и препятствуют истечению сред. Типичным герметизирующим материалом являются разделительные среды, с помощью которых исключают контакт несовместимых герметизируемой и окружающей сред. Для герметизации технических изделий используют практически всю номенклатуру доступных человеку материалов, поэтому почти все машиностроительные материалы можно отнести к герметизирующим.
Свойства герметизирующих материалов реализуются в специальных конструкциях уплотнительной техники. Уплотнительное устройство или уплотнение – совокупность элементов конструкции, предотвращающей или уменьшающей утечку жидкости или газа через зазоры между деталями машин и сооружений в окружающую среду, а также проникновение по зазорам грязи и пыли из окружающей среды.
Герметизатор – элемент уплотнения, являющийся барьером, разделяющим герметизируемую и окружающую среды. Эксплуатационные параметры уплотнений – характеристика герметизируемой среды, степень герметичности, допустимые температуры и давления герметизируемой и окружающей сред, кинематические и нагрузочные характеристики герметизируемого соединения, ресурс герметизации.
Уплотнительные устройства применяют буквально во всех отраслях техники, поэтому номенклатура уплотнений широка, а требования и условия эксплуатации разнообразны. Большинство уплотнений изготовляют на специализированных предприятиях и, кроме того, на многих машиностроительных предприятиях.
Стандартизация и систематизация знаний, полученных в области уплотнительной техники, а также проведение комплексных исследований на базе современной методологии осуществляют научно-технические общества (ASME, SAE, ASLE в США, BHRA в Великобритании и др.).
Герметология – отрасль техники, разрабатывающая научные основы и практические методы герметизации объектов, проектирования и эксплуатации уплотнительных устройств. Их работоспособность определяет ресурс и надежность большинства объектов, что вызывает постоянное ужесточение требований к уплотнительным устройствам и стимулирует работы по их совершенствованию.
контрольные вопросы
1. Определите область интересов науки «Герметология».
2. В чем заключается герметизация сопрягаемых деталей?
3. Как достигается абсолютная герметичность соединений?
4. Как называется элемент уплотнения определяющий его разделительную функцию?
5. Перечислите основные параметры уплотнений.