Лекция 6. КОНСТРУКЦИИ УПЛОТНЕНИЙ
^ Вверх
Лекция 6. КОНСТРУКЦИИ УПЛОТНЕНИЙ

В современном машиностроении используются различные группы уплотнений, которые по конструктивным признакам, в частности, структуре герметичного соединения можно разделить на три группы: контактные, бесконтактные и разделительные.

                                 


Рис. 13. Структурная схема
контактного уплотнения




Рис. 14. Структурная схема разделительного уплотнения

Контактные уплотнения характеризуются механическим контактированием деталей, образующих герметичное соединение. В структурную схему контактных уплотнений (рис. 13) входят четыре элемента. Неподвижный элемент 1 обеспечивает герметичность закрепления всех элементов уплотнения на одной из сопрягаемых деталей путем сварки, пайки, склеивания или другими методами. Элемент 1' контактирует со второй сопрягаемой деталью и в сочетании с упругим элементом 3, создающим напряжения сжатия в контакте, обеспечивает герметичность последнего в состоянии покоя и при перемещениях детали в плоскости контактирования. Непроницаемый для сред эластичный элемент 2 герметично прикреплен к контактному элементу 1' и служит для сохранения герметичности при перемещениях деталей по нормали к сопрягаемым поверхностям.
Элемент 1 обязательно входит во все уплотнения и поэтому может быть исключен из рассмотрения. Конструкции, содержащие три оставшихся элемента, образуют группу совершенных уплотнений. Отсутствие в схеме какого-либо элемента переводит ее в группу несовершенных. Разновидности контактных уплотнений образуются путем всевозможных сочетаний элементов структурной схемы (табл. 4).
В подгруппу А входят уплотнения, герметизатор которых отвечает назначению всех трех элементов схемы. Примером могут служить подвижные уплотнения с резиновыми кольцами круглого сечения или с герметизаторами в виде перекатывающихся в зазоре тороидальных полых элементов. В связи с трудностью реализации в герметизирующем материале комплекса противоречивых свойств возникает необходимость распределить функции элементов схемы между несколькими деталями уплотнения. В зависимости от того, какой элемент - упругий, эластичный или контактный - выполнен в виде самостоятельной детали, различают подгруппы Б, В или Г. Реализация функций всех трех элементов схемы с помощью самостоятельных деталей приводит к подгруппе Д. В нее входят уплотнения, структурные схемы которых совпадают с обобщенной схемой контактных уплотнений.
Несовершенные уплотнения характеризуются неполнотой структурной схемы. При отсутствии элемента 1 (рис. 14) его функции обязательно выполняет один из оставшихся элементов, иначе контактное уплотнение превращается в бесконтактное. Функции контактного элемента другие элементы схемы выполняют не в полном объеме. Как правило, они обеспечивают герметичность лишь при отсутствии перемещения сопряженных деталей. Уплотнения подгрупп Е, Ж, в которых элемент 2 выполняет часть функций контактного элемента, называют неподвижными. Если в схеме нет элемента 2, существенным признаком конструкций является совмещение (З) или разделение (И) функций контактного и упругого элементов в одной детали. Сочетание элементов 1 и 2 не имеет смысла, поскольку исключение из схемы упругого элемента 3 приводит к нарушению геометрической определенности конструкции и потере уплотнением герметичности.
Основным признаком бесконтактных уплотнений является гарантированный зазор между сопряженными деталями. Конструкции бесконтактных уплотнений позволяют реализовать в зазорах физические процессы, которые препятствуют утечке сред. По признакам этих процессов выделяют вязкостные, массовые и вихревые уплотнения. В вязкостных уплотнениях сопротивление движению сред создается силами трения. Принцип действия массовых уплотнений состоит в создании противодавления путем использования массы сред или развивающихся в них инерционных сил. Вихревые уплотнения генерируют вихри, препятствующие истечению герметизируемых сред. Конструктивное исполнение бесконтактных уплотнений может способствовать активизации физических процессов в зазорах путем перемещения сопрягаемых деталей, наложения физических полей, инициирования химических реакций и фазовых переходов. Такие уплотнения относят к активным в отличие от пассивных, где внешние воздействия на физические процессы, препятствующие утечке, отсутствуют или несущественны.
Основные конструкции бесконтактных уплотнений представлены в табл. 5. Конструктивным признаком вязкостных пассивных уплотнений являются малая величина (1 мкм – 0,1 мм) и большая протяженность зазоров в соединении сопрягаемых деталей. Первое характерно для капиллярных, второе – для многощелевых уплотнений. Характерная разновидность капиллярных уплотнений – уплотнения с плавающими кольцами. Чтобы компенсировать несоосность сопряжения деталей и устранить биение ротора относительно корпуса, одна из деталей (как правило, наружная) выполнена подвижной в радиальном направлении. Благодаря этому зазор А и утечку через него можно

Таблица 4 – Контактные уплотнения

Группа, подгруп-па

Структур-ная схема

Примеры уплотнений

Характеристика

Совершенные:

А



                 

Герметизатор в виде круглого резинового кольца


                  
Герметизатор в виде полого тороидального элемета

Б

         


            
Пластичная набивка с упругим сердечником


Сальниковое уплотнение


Манжетное уплотнение с браслетной пружиной и (или) армированной манжетой

В

         


Предохранительная мембрана, закрепленная с помощью упругих прокладок


Металлический сильфон, закрепленный на корпусе с помощью прокладки

Г


       


Сильфон с антифрикционным кольцом



Резиновая манжета с пластмассовым кольцом

Продолжение табл. 4
Д





Сильфон с антифрикционным кольцом и торцовой пружиной


Манжета с антифрикционным кольцом и браслетной пружиной

Несовер-шенные:

Е




Упругие прокладки

Ж




Прокладки с упругим поджимом


Резьбовое соединение труб с полимерным покрытием на резьбе

З




Поршневое кольцо


Т-образный резиновый герметизатор с защитными кольцами

И




Сегментальное кольцо с браслетной пружиной



Подпружиненные конические кольца


Таблица 5 – Бесконтактные уплотнения

Под-класс

Пассивные

Активные

Примеры конструкций

Уплотне-ние

Примеры конструкций

Уплотнение

Вязкостные



Капилляр-ные


Винтовое


С плаваю-щим кольцом


Индукцион-ное



Многоще-левое


Магнито-жидкостное



Гидро-затвор прямого типа


Дисковое


Центробеж-ное


Лопастное

Массовые



Гидро-затвор обратного типа


Конический гидрозатвор



Лабиринт-ные


Лабиринтно-винтовое

Продолжение табл. 5
Вихревые



Эжектор-ные


Дисковые с полимерной жидкостью


уменьшить до технологически целесообразных значений. Подвижность плавающего кольца достигается благодаря скольжению его по торцу Б, к которому предъявляются жесткие требования по плоскостности и шероховатости.
Конструкции вязкостных активных уплотнений содержат элементы, которые увеличивают трение сред в зазоре. Этого достигают за счет предания специальной конфигурации (винтовые уплотнения), наложения электромагнитного (индукционные) и магнитного (магнитожидкостные уплотнения) полей. Различают уплотнения с торцовыми зазорами, в которых поток движется по нормали к валу, и с радиальными – вдоль оси вала. Торцовые зазоры, образованные параллельными поверхностями, назы­вают плоскими, радиальные зазоры между цилиндрическими соосными поверхностями – концентричными, а между несоосными – эксцентричными. Конусные зазоры могут быть конфузорными – сужающимися или диффузорными – расширяющимися в направлении утечки.
Типичная конструкция массовых пассивных уплотнений – гидрозатворы, в которых противодавление создается гидростатическим давлением разделительных жидкостей с высокой плотностью (ртуть, легкоплавкие сплавы). Гидрозатворы отличаются функциональным назначением подвижных и неподвижных элементов: в затворах прямого типа стакан с разделительной жидкостью герметично закреплен на вращающемся валу, для затворов обратного типа характерно расположение стакана в неподвижном корпусе.
В конических гидрозатворах для повышения герметизируемого перепада давления используют силы инерции вращения. Степень герметичности таких уплотнений определяется физическими свойствами разделительной жидкости (в основном вязкостью), а также конструктивными соотношениями и скоростью вращения подвижных частей. При критической частоте вращения происходит нарушение герметичности гидрозатвора, вследствие возникновения в разделительной жидкости вторичных течений, которые способствуют переносу герметизируемой среды через слой разделительной жидкости.
Конструкции вихревых пассивных уплотнений представлены в табл. 5 лабиринтными и эжекторными уплотнениями. Механизм работы лабиринтных уплотнений заключается в многократном дросселировании потока герметизируемой среды при протекании по зазорам с переменным проходным сечением. Для этого детали лабиринтных уплотнений снабжены кольцевыми канавками разнообразной формы. В сужающихся зазорах имеет место адиабатическое истечение, которое сопровождается уменьшением температуры среды, ростом скорости и падением давления потока. В камерах между соседними сужениями скорость и кинетическая энергия потока снижаются, давление остается постоянным, а температура среды устанавливается ниже начального значения. Многократное повторение этих процессов приводит к диссипации энергии и существенному падению давления потока.
Примером вихревых активных уплотнений служат рассмотренные ранее лабиринтно-винтовые и дисковые с полимерной жидкостью уплотнения. Их конструкции обеспечивают создание вихрей, препятствующих утечке. Вихри возникают вследствие того, что расплав полимера увлекается во вращение в лабиринтном канале между вращающимся винтом и корпусом или в зазоре между вращающимся диском и корпусом уплотнения.
Разделительные уплотнения, структурная схема которых приведена на рис. 14, состоят из непроницаемого для герметизируемых сред тонкостенного элемента – диафрагмы, которая соединена с сопрягаемыми деталями таким образом, что отделяет герметизируемый объем от окружающей среды. Элемент 1 обеспечивает неразъемное герметичное закрепление диафрагмы 2 на сопрягаемой детали, например, путем сварки, пайки, склеивания. Принципиальным отличием разделительных уплотнений от контактных (рис. 14) является отсутствие контактного 1' и упругого 3 элементов. В конструкциях, разделительных уплотнений реализуется метод герметизации путем формирования неразъемных соединений, и они, как правило, обеспечивают более высокую степень герметичности по сравнению с другими типами уплотнении.







а)

б)

в)

Рис. 15. Гермопередачи с диафрагмами различной конструкции. 1 – вал; 2 – диафрагма

Диафрагмы обычно имеют вид плоских или выпукло-вогнутых мембран, сильфонов и оболочек различных конфигураций и объема. Мембраны чаще всего выполняют из металлов, графита, стекла и пластмасс, свойствами которых определяются конструктивные особенности и технология закрепления мембран на сопрягаемых деталях. Сильфон – тонкостенный цилиндрический стакан с поперечно гофрированной боковой поверхностью, деформация которой обеспечивает удлинение или сжатие стакана вдоль оси подобно пружине под действием внешней нагрузки. Оболочки обычно применяют в конструкциях, в которых сопряженные поверхности перемещающихся деталей имеют значительные размеры. Эффективное применение разделительные уплотнения нашли в гермопередачах – устройствах для передачи механического движения деталям и узлам, заключенным в герметизированный объем. На рис. 15 изображены конструкции гермопередач, включающие основные типы диафрагм, используемых в разделительных уплотнениях. Плоские мембраны (рис. 15, а) характерны для магнитных муфт, выпукло-вогнутые эластичные мембраны (рис. 15, б) – для кулачковых передач вращательного движения в вакуумных установках. В электромагнитных муфтах часто применяют разделительные уплотнения с диафрагмами в виде цилиндрических оболочек (рис. 15, в). Конструкции последних отличаются большим разнообразием по форме и размерам.

контрольные вопросы

1. Какие элементы входят в структурную схему совершенных и несовершенных уплотнений?
2. Приведите простейший пример контактного совершенного уплотнения.
3. Какой из структурных элементов отсутствует в конструкции поршневых колец?
4. В чем состоит конструктивная особенность бесконтактных уплотнений?
5.Какие конструктивные виды диафрагм (мембран) используют для создания разделительных уплотнений?