Уплотнения сверхвысокого давления ЭЛКОНТ

Надежность и себестоимость гидроприводов в значительной степени определяется качеством уплотнений подвижных соединений. Для надежной работы уплотнений необходимо обеспечить прецизионную точность изготовления, минимальную шероховатость контактирующих поверхностей, высокую износостойкость материалов и большую жесткость конструкции [4]. Хотя проблема уплотнений актуальна и для обычных гидроприводов, особое значение она приобретает для гидроприводов сверхвысокого давления (СВД), к которому в трубопроводной арматуре относят давление свыше 80 МПа, а в уплотнительной технике - свыше 40 МПа [2].

   В условиях СВД напряжение в деталях приближаются к пределам текучести материалов, поэтому даже незначительные утечки вызывают эрозию стенок канала течи. Одновременно увеличиваются деформации деталей, приводящие к потере начальных натягов и экструзии уплотнителя в зазоры; вследствие ухудшения условий смазывания и увеличения контактных напряжений резко повышаются интенсивность изнашивания и тепловыделение, особенно при герметизации жидкостей с плохой смазывающей способностью (например, воды).

   Для герметизации лабораторных гидросистем с давлением до 1000 МПа, появившихся в 40-х годах нашего столетия, американский физик П.В. Бриджмен создал так называемые дифференциальные контактные уплотнения (КУ), работа которых основана на принципе усиления эффекта самоуплотнения с повышением давления уплотняемой среды (рис.1), так как считал, что в резиновых уплотнениях этот эффект не достаточен для СВД. Такие уплотнения применяются и в настоящее время, однако, как следует из анализа механизма герметизации [4], при СВД могут надежно работать и обычные резиновые уплотнения, если они имеют прочные защитные кольца.

   Практика эксплуатации простейших контактных эластичных уплотнений (рис.2,а) с клиновыми защитными кольцами из высокотвердой (35-40 HRCэ) бериллиевой бронзы БрБ2 в гидроэкструзионных установках, работающих при давлении до 2000 МПа, подтверждает этот вывод [1]. Имеется большой опыт применения пластмассовых и эластичных уплотнений с пластмассовыми или бронзовыми защитными кольцами в гидроприводах высокого давления (до 300 МПа) кузнечно-прессового оборудования, гидродомкратах, устройствах для гидрораспора прессовых соединений, гидропружинах и гидродемпферах, стендах для испытания на прочность. При этом уплотнения успешно применяются не только для жидкостей на нефтяной основе, но также и для плохо смазывающих сред.

   Альтернативой контактным являются бесконтакные (щелевые) уплотнения (БУ) (рис.2,б), герметичность которых обеспечивается силами внутреннего трения в слоях жидкости, находящейся в микронных зазорах между сопрягаемыми деталями [3]. Наиболее отработаны БУ плунжерных пар в топливных насосах дизельных двигателей  и насосах-форсунках [5], работающих при давлении до 200 МПа, а также в гидромашинах и гидрораспределителях при давлении до 100 МПа. Имеется опыт применения при давлениях жидкости до 2000 МПа в поршневых манометрах, динамометрах и гидравлических весах.

   В современных насосах и гидромультипликаторах, работающих на воде при давлении в диапазоне 200-400 МПа, применяются как КУ, так и БУ плунжеров. В связи с этим полезно сопоставить основные параметры и качественные признаки работоспособного состояния уплотнений этих видов (см. таблицу).

   По главному параметру – герметичности – КУ выгодно отличаются  от БУ, утечки в которых сравнительно велики и нестабильны, так как зависят от многих факторов и прогрессируют по мере увеличения наработки. Что бы утечки не превышали нескольких процентов от подачи насоса, зазоры в БУ плунжерных пар в условиях СВД не должны превышать 3 мкм, а для топливных насосов и дизелей  - 1 мкм. Наличие утечек обусловливает необходимость применения дренажной системы с дополнительными уплотнениями и трубопроводами. Для поддержания минимальных зазоров в плунжерных парах используются толстостенные гильзы, так как их рассчитывают исходя из условия обеспечения высокой жесткости.

   Большое преимущество БУ – возможность эффективно выполнять функцию отключаемого уплотнения в устройствах регулирования подачи рабочей жидкости, поскольку в отличие от КУ они не чувствительны к наличию боковых отверстий на сопрягаемых деталях

   Потери на трение в КУ несоизмеримо выше, чем в БУ, особенно в режиме холостого хода. При рабочем ходе силы трения возникают и в БУ вследствие неуравновешенности давления в щели, а также внецентренной нагрузки плунжера. С повышением давления радиальные нагрузки увеличиваются даже при наличии кольцевых разгрузочных канавок на рабочих поверхностях втулки или плунжера. Стремление к минимизации износа обусловливает необходимость увеличения твердости и прочности, снижения шероховатости поверхности сопряженных деталей (что актуально, кстати, и для КУ). Повышенное трение существенно снижает допустимые скорости скольжения для КУ (по сравнению с БУ).

   Главное конструктивное преимущество КУ – пониженные требования к точности  изготовления его деталей (квалитет 8-9 вместо 1-3), благодаря эластичности уплотнителей. Расширенные допуски на изготовление позволяют выполнять КУ больших размеров для работы в условиях СВД, в то время как получить микронные зазоры в БУ затруднительно при диаметрах свыше 50 мм. КУ менее чувствительны к тепловым, силовым и структурным деформациям узла, работоспособны при значительных износах плунжера, имеют повышенную ремонтопригодность.

   Уход от микронных зазоров исключает такие частые и характерные для БУ отказы, как защемление и задиры плунжерной пары, связанные не только с подбором материалов и точностью изготовления, но и с деформациями деталей (например, вследствие аустенситно-мартенситных преобразований в структуре стали, вызванных неполной обработкой холодом).

   Причиной задиров часто является заклинивание в зазоре твердых включений, содержащихся в жидкости. КУ сравнительно малочувствительны к загрязнению жидкости и могут работать даже в абразивосодержащих буровых растворах, в то время как для плунжерных пар топливных насосов необходима фильтрация рабочей жидкости с точностью 3-5 мкм.

   Малая осевая протяженность современных КУ и возможность их размещения в глухих канавках позволяют резервировать уплотнения, предусматривать камеры для подвода смазочного материала и охлаждающей жидкости (рис.3).

   Таким образом, БУ целесообразно использовать, например, в топливных насосах дизелей с регулируемой подачей, в которых быстроходные плунжеры с малыми диаметрами и ходами работают в паре с втулками, имеющими боковые каналы, а утечки способствуют охлаждению пар трения.

   Для тихоходных машин и мультипликаторов больших размеров целесообразно использовать КУ, так как при увеличении диаметров и ходов трудоемкость изготовления БУ резко увеличивается, а надежность снижается. Поскольку силы трения в уплотнениях пропорциональны диаметрам плунжеров, а мощность гидромашин пропорциональна квадратам диаметров, недостатки КУ в части повышения потерь не трение становятся менее заметными. Для мультипликаторов, работающих на воде в условиях СВД (при 400 МПа и выше) при скоростях движения плунжера до 0,2 м/с и хороших условиях охлаждения, определяющими являются такие преимущества КУ, как высокая технологичность конструкции, нечувствительность к загрязнениям и неравномерным деформациям деталей силового контура, минимальные потери энергии на утечки, возможность многократного резервирования. Среди многочисленных типов КУ плунжеров наиболее совершенными являются компактные пластмассовые уплотнения [6, 7].

   Малая осевая протяженность и возможность монтажа в глухие канавки позволяет использовать их в многоступенчатых уплотнительных узлах. Высокая самосмазывающая способность современных антифрикционных пластмасс на основе фторопластов, полиуретанов и полиэфиров обеспечивает их надежную работу и в плохо смазывающих жидкостях (например, в водопроводной воде). При подводе смазочного материала между ступенями уплотнения дополнительно повышается ресурс уплотнительного узла.

   Поскольку в настоящее время нет методики расчета ресурса уплотнений в условиях СВД, основным способом решения проблемы остается экспериментальная отработка конструкции.

Современные уплотнения, в том числе для работы в условиях сверхвысокого давления, поставляет фирма «ЭЛКОНТ».

Список литературы:

1. Богоявленский К.Н., Вагин В.А., Кобышев А.Н. и др. Гидропластическая обработка металлов. Л.: Машиностроение, 1988.
2. Кондаков Л.А., Голубев А.И., Овандер В.Б. и др. Уплотнения и уплотнительная техника: Справочник. М.: Машиностроение. 1986.
3. Никитин Г.А. Щелевые и лабиринтные уплотнения гидроагрегатов. М.: Машиностроение. 1982.
4. Овандер В.Б. Высоконадежные методы и средства герметизации гидропневмосмазочных систем в станкостроении. М.: ВНИИТЭМР. 1986.
5. Файнлейб Б.Н. Топливная аппаратура автотракторных дизелей: Справочник. Л.: Машиностроение. 1990.
6. ЭЛКОНТ: уплотнения и опоры из полимерных и композитных материалов
7. /В.Б. Овандер// Приводная техника. 1988. №7. С.36-40.
8. Industrial Sealing Systems. Рекламный проспект фирмы SHAMBAN (Дания). 1994.

СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ПРИЗНАКИ РАБОТОСПОСОБНОГО СОСТОЯНИЯ УПЛОТНЕНИЙ