Лекция 10. КОНСТРУКЦИИ ГЕРМЕТИЗАТОРОВ

Лекция 10. Конструкции герметизаторов

Герметизаторам неподвижных соединений придают простейшую форму, оптимизированную по технико-экономическим критериям. Наиболее распространены кольца круглого сечения. Значение резиновых уплотнительных колец круглого сечения в технике столь велико, что их конструкция и размеры регламентированы на уровне государственных стандартов. Герметизаторы в виде прокладок подразделяют на следующие конструктивные типы: плоские листовые, повторяющие форму сопрягаемых поверхностей; плоские кольцевые для фланцевых соединений трубопроводов; линзовые (рис. 29, а) для соединений с конической конфигурацией зазоров между деталями; гребенчатые, имеющие острые кольцевые выступы (рис. 29, б); рессорные, например К-образного профиля (рис. 29, в); трубчатые тороиды, заполненные газом или снабженные отверстиями, сообщающими полость тороида с герметизируемой средой.

В конструкциях резьбовых соединений трубопроводов решена задача снижения усилия герметизации путем уменьшения ширины зоны контактирования сопряженных деталей. Широко распространены уплотнения с герметизатором в виде шарового ниппеля, сопряженного с коническим отверстием в смежной детали (рис. 30, а). Иногда под ниппель подкладывают конический колпачек-прокладку (рис. 30, б). В соединениях труб из мягкого металла прокладкой служит развальцованная часть трубы (рис. 30, в). Для соединения трубопроводов высокого давления используют герметизатор в виде врезающегося кольца (рис. 30, г).

Резинометаллические герметизаторы благодаря сочетанию высокой герметизирующей способности эластомеров и упругости металлов имеют повышенные надежность и ресурс. Резинометаллическая кольцевая прокладка (рис. 31, а) представляет собой металлическое кольцо 1, к которому привулканизирован резиновый элемент 2 с двумя упругими губками. Металлическое кольцо воспринимает усилие затяжки, уравновешивающее осевую нагрузку и изгибающий момент, действующие на трубопровод. Губки резинового элемента обеспечивают самоуплотнение герметизатора даже при грубой обработке сопрягаемых поверхностей и вибрациях. Резинометаллические плоские прокладки (рис. 31, б) выполнены в виде металлических пластин 3, повторяющих форму сопрягаемых поверхностей, и снабжены резиновыми покрытиями 4 в виде узких поясков, которые расположены по периметру герметизируемых полостей.


а)	б)	в)

Рис. 29. Прокладки и схемы их установки. 1 – фланец; 2 – прокладка


а)	б)	в)	г)

Рис. 30. Уплотнения резьбовых соединений трубопроводов. 1 – герметизатор; 2 – труба; 3 – деталь арматуры; 4 – гайка; 5 – прокладка

а)
в)
		б)

Рис. 31. Резинометаллические герметизаторы

Герметизатор в виде торцового резинометаллического уплотнителя состоит из пары стальных тарельчатых пружин 7, разделенных шайбой 6, которые завулканизированы в резиновое кольцо 2. Последнее снабжено стальным протектором 5 Г-образного профиля и служит контактным элементом. Тарельчатые пружины обеспечивают постоянство контактного давления в соединении, шайба ограничивает деформации пружин. Протектор предотвращает выдавливание резинового кольца при динамическом раскрытии соединения.

Специфическим типом герметизатора разделительных уплотнений являются мембраны – тонкие гибкие перегородки, закрепленные по контуру герметизируемого отверстия. Для герметичного закрепления тело мембраны снабжают по периметру фланцами или буртами. Различают плоские (рис. 31, а), тарельчатые (рис. 31, б), конические (рис. 31, в) и гофрированные (рис. 31, г) мембраны. Последние менее жестки, чем плоские, и допускают большее перемещение тела мембраны относительно плоскости закрепления. Конические мембраны могут обеспечивать самое большое перемещение и наименьшее усилие деформирования. Часто мембраны выполняют функции преобразователей перепада давления по обе стороны мембраны в перемещение и наоборот. Для этого мембраны снабжают жестким центром (рис. 31, д – ж), который служит для присоединения штока и других конструктивных элементов, а также позволяют регулировать гибкость мембраны.

Металлические сильфоны изготавливают цельнонатянутыми и сварными. Последние состоят из штампованных мембран, соединенных сваркой, чаще всего – аргонодуговой. Они технологичнее цельнонатянутых, выдерживают большие давления и циклические нагрузки. Пластмассовые сильфоны обычно изготавливают точением и для повышения прочности надевают на цилиндрическую часть гофров металлические кольца, а в пазы между гофрами помещают плоские резиновые амортизаторы.

Клапанные уплотнения по механизму герметизации идентичны неподвижным соединениям. Их конструктивно-технологические особенности обусловлены периодическим принципом действия уплотнений этого класса и интенсивным протеканием материалов. Основные конструктивные схемы герметизаторов клапанных уплотнений приведены на рис. 33. Чаще всего – это пара сопряженных металлических деталей с притертыми плоскими (рис. 33, а) или коническими (рис. 33, б)контактными поверхностями и

а)		д)
б)		е)
в)		ж)
г)		з)

Рис. 32. Мембраны


а)	б)	в)	г)	д)	е)

Рис. 33. Конструкции герметизаторов клапанных уплотнений


а)	б)	в)

Рис. 34. Конструкции поршневых колец а – с прямым разрезом; б – косым разрезом; в – соединение внахлестку


а)	б)	в)	г)

Рис. 35. Эластичные кольца

широким (l = 2 – 5 мм) поясом контактирования. Стремление снизить трудоемкость изготовления герметизаторов и усилие герметизации реализовано в конструкциях с минимальной шириной зоны контактирования, что обеспечивается, например, закруглением кромки седла (рис. 33, в) или выполнением его в виде упругой тонкостенной оболочки (рис. 33, г). Минимальное контактное давление требуется для герметизации клапанов с элементами из полимерных материалов (рис. 33, д). При повышенных требованиях к герметичности используют конструкции с расплавляемыми вставками (рис. 33, е). Эти схемы реализуются во множестве конструктивных вариантов, отличающихся конфигурацией контактных элементов (шар, конус, цилиндр, плоскость, острие), сочетанием нескольких герметизаторов, использованием различных материалов и методов их соединения, системами привода, обеспечения точности посадки клапана в седло и т.д.

В уплотнениях соединений с возвратно-поступательным движением применяют поршневые кольца, эластичные герметизаторы, манжеты. Поршневые кольца имеют прямоугольное сечение и снабжены разрезом, обеспечивающим возможность установки кольца в гнездо на наружной поверхности поршня. Разрезы отличаются по форме торцов кольца (рис. 34). Поршневые кольца из углеродных и некоторых других неметаллических установок, вакуумных насосов, а также для двигателей внутреннего сгорания выполняют из трех-четырех сегментов, соединенных кольцевой пружиной. Степень герметичности, обеспечиваемая с помощью поршневого кольца, невелика из-за наличия стыков и несовпадения формы кольца и сопряженных деталей. Поэтому поршневые кольца обычно применяют в комплекте из 2 – 6 штук. Стандартом регламентированы конструкции поршневых колец для компрессоров, холодильных в них процессов эрозионного, динамического и коррозионного разрушения герметизаторов.

Эластичные герметизаторы в виде колец и манжет объединяют все элементы контактного уплотнения в одной детали. Благодаря этому они просты, компактны и удобны при монтаже, могут обеспечить высокую степень герметичности подвижных соединений, но характеризуются невысоким ресурсом.

Конструкции колец из эластомеров показаны на рис. 35. Кольца круглого сечения (рис. 35, а) являются универсальной и наиболее технологичной разновидностью эластичных герметизаторов. Их недостаток заключается в склонности к скручиванию под действием сил трения. Кольца овального сечения (рис. 35, б) не скручиваются, но создают в подвижном соединении повышенное трение. Кольца Х-образного сечения (рис. 35, в) устойчивы к динамическим нагрузкам и обеспечивают оптимальное распределение контактного давления в соединении. Пилообразный профиль (рис. 35, г) облегчает смазывание и удобен для создания в уплотнении гарантированного контактного давления с помощью осевой пружины, упирающейся в коническую часть кольца.

Манжета – кольцевой герметизатор обычно П-образного сечения. Его устанавливают в герметизируемое соединение таким образом, что цилиндрические поверхности кольца контактируют с неподвижной и перемещающейся деталями соединения. При большом разнообразии исполнения манжет, их общей особенностью является наличие губок с уплотняющими кромками. По сравнению с кольцами манжеты создают в уплотнениях меньшее трение. Благодаря эластичности губок обеспечивается герметичность подвижного соединения даже при больших радиальных смещениях сопряженных деталей. Конструкции резиновых манжет показаны на рис. 36. В гидравлических системах основным типом герметизаторов являются манжеты симметричного профиля с фасками на губках (рис. 36, а).


а)	б)	в)	г)	д)

Рис. 36. Конструкции эластичных манжет

Трапецевидные манжеты с заостренными губками (рис. 36, б) применяют при ремонте машин, но они не рекомендуются для новых разработок. Манжеты с геометрией кромки, показанной на рис. 36, в, имеют улучшенные динамические характеристики и ресурс. В пневмоприводе используют два типа манжет – для цилиндров (рис. 36, г) и штоков (рис. 36, д). Для повышения надежности герметизации манжеты из эластомеров армируют, устанавливают рядом с ними защитные кольца и манжетодержатели, предотвращающие выдавливание манжеты в зазор (рис. 36, в).

Рис. 37. Уплотнение с шевронными манжетами

Шевронные (V-образные) манжеты изготавливают преимущественно из резинотканевых материалов. В соединениях возвратно-поступательного движения они отличаются повышенной износостойкостью и эффективностью. Уплотнение, как правило, включает от двух до шести манжет 2, а также опорное 1 и нажимное 3 кольца из пластмасс или бронзы
(рис. 37). Особенность шевронных манжет – отсутствие гарантированного натяга по наружному и внутреннему диаметрам при монтаже. Натяг создается путем осевого поджатая манжет регулировочной шайбой 4, поэтому по мере их износа возникает необходимость в подтяжке уплотнения.

Специфическим видом эластомерных манжет являются грязесъемники, служащие для очистки штоков от пыли, грязи и абразивных частиц. Они отличаются профилем, типом крепления (фланцевое, запрессовка в закрытые или открытые канавки), наличием арматуры и износостойких элементов. При эксплуатации в абразивных средах ресурс уплотнений возвратно-поступательного движения с шевронными манжетами из резины повышается в 2 – 3 раза, если каждая манжета укомплектована пластмассовым грязесъемником, установленным на валу в выточке манжеты.

Пластмассовые герметизаторы имеют конструктивно-технологические особенности, обусловленные спецификой пластмасс как конструкционных материалов. Как правило, их комбинируют с силовыми элементами из стали или резины, создающими контактное давление. На рис. 38 показаны типичные конструкции пластмассовых колец и манжет для герметизации соединений с возвратно-поступательным движением. Губки манжет выполняют более тонкими, чем из резины. Силовой элемент в виде резинового кольца (рис. 38, а), спиральной (рис. 38, б) или ленточной (рис. 38, в) стальной пружины помещают между губками. Пластмассовые кольца с силовым элементом из резины применяют в гидравлических системах управления. Кольцам придают прямоугольный (рис. 38, г), П-образный (рис. 38, д) или пилообразный (рис. 38, е) профиль. Плавающие кольца с браслетными пружинами обеспечивают высокую жесткость подвижных уплотнений. В компрессоростроении широко применяют фторопластовые разрезные кольца с гофрированными пружинами.

Герметизаторы для уплотнений вращательного движения, как правило, эксплуатируются при небольших контактных давлениях, но с высокими скоростями скольжения. В машиностроении к ним предъявляют жесткие требования, касающиеся герметичности. Этими факторами и спецификой вращательного движения обусловлены конструктивные особенности герметизаторов, основные типы которых совпадают с герметизаторами возвратно- поступательного движения. Конструкции эластичных радиальных манжет представлены на рис. 39. Как правило, они укомплектованы


а)	б)	в)


г)	д)	е)	ж)

Рис. 38. Пластмассовые манжеты (а – в) и кольца (г – ж). 1 – силовой элемент; 2 – герметизатор; 3 – неподвижная деталь; 4 – шток

пружинами, армирующими элементами, имеют несимметричный профиль и более сложны, чем манжеты для уплотнений возвратно-поступательного движения. Манжеты, показанные на рис. 39, а – в, регламентированы стандартом. Неармированные манжеты (рис. 39, г) применяют в случаях, когда по условиям монтажа нельзя избежать их деформирования. Манжеты с открытым металлическим каркасом (рис. 39, д, е) используют в автомобилях. Для герметизации подшипников качения разработаны эластомерные радиальные манжеты (рис. 39, ж) без пружин. Защиту внутренних полостей машин от попадания твердых частиц обеспечивают с помощью грязесъемников таких же конструкций, какие используются в уплотнениях возвратно-поступательного движения.

Из пластмассовых герметизаторов в уплотнениях вращательного движения применяют кольца, показанные на рис. 38, ж, торцовые (рис. 40, а) и радиальные комбинированные (рис. 40, б) манжеты. Последние содержат грязезащитный и герметизирующий элементы, выполненные из фторопласта или другого антифрикционного материала.

В уплотнениях вращательного движения может быть реализован гидродинамический эффект, обусловленный взаимодействием вращающегося вала и специальных профилированных выступов, выполненных на кромке герметизатора. Таким образом, обеспечивают защиту агрегатов от наружной пыли и грязи, смазывание герметичного соединения, отвод просочившейся через уплотнение жидкости назад в герметизируемый объем, гидродинамическую разгрузку узла трения и т.д. Если по условиям эксплуатации соединений в качестве герметизирующих материалов должны быть применены металлы, керамика и другие термостойкие и высокопрочные материалы, герметизацию соединений вращательного движения осуществляют с помощью торцовых уплотнений.


а)	б)	в)	г)	д)	е)	ж)

Рис. 39. Эластомерные радиальные манжеты: а – армированная; б – армированная с грязесъемником; в – армированная с двумя пружинами; г – неармированная; д, е – с открытым армирующим каркасом; ж – для уплотнения шарикоподшипников


а)	б)

Рис. 40. Пластмассовые манжеты в уплотнениях вращательного движения: 1 – вал;
2 – манжета; 3 – корпус

Герметизатор торцового уплотнения в простейшем случае представляет собой два приведенных в контакт плоских кольца, образующих пару трения. При высоких перепадах давления и скоростях скольжения, а также при герметизации сред, являющихся плохими смазками (газы, криогенные жидкости и др.), на контактной поверхности одного из колец выполняют наклонные, ступенчатые и другие площадки (рис. 41). Воздействие на них сред при вращении кольца приводит к возникновению гидродинамической силы, благодаря которой уплотнение работает в режиме жидкостной (газовой) смазки. Гидродинамические силы могут возникать в работающем герметизаторе при деформации кольца под действием неравномерного фрикционного нагрева. На рис. 42 изображены герметизаторы так называемых термодинамических торцовых уплотнений, кольца которых снабжены проточными канавками специального профиля: кольцевыми (рис. 42, а), сегментальными (рис. 42, б), ручейковыми (рис. 42, в). При трении меньше нагреваются участки колец вблизи канавок, охлаждаемые потоком среды.

Вследствие этого плоскостность контактирующих поверхностей нарушается, и между ними образуются зазоры, заполняемые средой. Прослойку среды между кольцами можно создать путем гидростатической разгрузки герметизатора. Для


а)	б)

в)

Рис. 41. Конструкции колец гидродинамических торцовых уплотнений: а – с плоской ступенью; б – с наклонными площадками; в – со спиральными канавками


а)	б)

в)	г)

Рис. 42. Кольца гидродинамических (а – в) и импульсных (г) уплотнений

этого кольца снабжают отверстиями и пористыми вставками, через которые среда проникает в зазор, выполняют контактную поверхность одного из колец ступенчатой, конической и т.д. Гидростатические торцовые уплотнения используют в турбо-компрессорах и циркуляционных насосах электростанций. Их недостатком является наличие элементов, подверженных засорению, – отверстий, капилляров, щелей и т.п. Его лишены: уплотнения импульсного типа (рис. 42, г). В одном из колец выполнены радиальные пазы, сообщающиеся с областью повышенного давления. Второе кольцо снабжено изолированными камерами, количество которых превышает число пазов. Давление в камере максимально при совмещении с пазом и снижается при прохождении камерой участка между пазами. Таким образом, между кольцами создается жесткая прослойка среды.

Контактные поверхности колец торцовых уплотнений выполняют с высокой точностью: неплоскостность не более 0,6 – 0,9 мкм при R_a = 0,1 мкм. Для их чистовой обработки; применяют доводку и осуществляют контроль плоскостности доведенных поверхностей.

контрольные вопросы:

1. Что такое герметизатор?

2. Приведите примеры конструкций герметизаторов прокладочного типа.

3. Укажите основные эксплуатационные особенности применения поршневых колец.

4. Что представляет собой манжетное уплотнение?

5. Каковы требования к точности изготовления колец торцовых уплотнений?