Лекция 6. КОНСТРУКЦИИ УПЛОТНЕНИЙ

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
Совершенные: А			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
В			Металлический сильфон, закрепленный на корпусе с помощью прокладки
Г			Сильфон с антифрикционным кольцом
Г			Резиновая манжета с пластмассовым кольцом

Продолжение табл. 4

Д			Сильфон с антифрикционным кольцом и торцовой пружиной
Д			Манжета с антифрикционным кольцом и браслетной пружиной
Несовер-шенные: Е			Упругие прокладки
Ж			Прокладки с упругим поджимом
Ж			Резьбовое соединение труб с полимерным покрытием на резьбе
З			Поршневое кольцо
З			Т-образный резиновый герметизатор с защитными кольцами
И			Сегментальное кольцо с браслетной пружиной
И			Подпружиненные конические кольца

Таблица 5 – Бесконтактные уплотнения

Под-класс	Пассивные		Активные
Под-класс	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
Массовые		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?