Уплотнения Элконт - повышение эксплуатационной надежности гидроцилиндров

  Отличительными особенностями гидроцилиндров (ГЦ) дорожностроительных машин по сравнению с другими элементами гидроприводов (ГП) являются их глубокая интеграция в рабочие органы различных машин и, соответственно, обилие типоразмеров, рабочих условий и ходов, типов тормозных и стопорящих устройств, вариантов исполнения внутренних частей и крепежных элементов.

   Несмотря на внешнюю простоту, гидроцилиндры представляют собой достаточно сложные   высоконагруженные гидромеханические устройства, где опорные, опорно-направляющие, уплотнительные и грязезащитные узлы (грязесъемники) со специфической конструкцией, как правило, традиционно имели недостаточную надежность. Низкая надежность традиционных резиновых уплотнений привела к тому, что в стандарте на общие технические требования к гидроцилиндрам (ГОСТ 16514-87) их замена не считается отказом гидроцилиндра, т.е. фактически узаконена низкая эксплуатационная надежность гидроцилиндров.

  Переход от резиновых уплотнений к более совершенным пластмассовым (рис.1) многократно повышает надежность гидроцилиндра. Например,  в результате использования пластмассовых уплотнений фирмы «Элконт» (3) ресурс гидроцилиндров экскаваторов и станочного оборудования увеличился в 5-10 раз, при этом пробег поршня достигал 2000 км. Однако и при таких уплотнениях скользящие поверхности штока и гильзы должны иметь минимальную шероховатость (Ra = 0,1 … 0,3 мкм), а отдельные микродефекты в виде сколов хрома, раковин и забоин приводят к быстрому изнашиванию уплотнений. Для выявления таких дефектов необходим тщательный контроль рабочих поверхностей гидроцилиндра и их заходных фасок, или анализ состояния уплотнений после обкатки, но вследствие высокой трудоемкости такой операции контроль проводится не всеми производителями гидроцилиндров и дорожностроительной техники (автокраны. экскаваторы, гидромолоты, погрузчики) , что снижает их надежность.

   Срок службы резиновых и пластмассовых уплотнений существенно зависит от загрязненности рабочей жидкости и качества промывки рабочих полостей гидроцилиндра после изготовления. Частицы загрязнений приводят не только к дефектам  на рабочих поверхностях штока и гильзы, но и к продольным царапинам на контактных поверхностях уплотнений, резко снижающих их герметичность, что не соответствует техническим требованиям (см. например, ГОСТ 17216-71).

   Для защиты уплотнений от частиц загрязнений все шире используют грязесъемные губки на пластмассовых опорных кольцах, дополнительные мягкие грязепоглощающие опорные кольца 4 и 5 (см. рис.1) из  фторопласта (опоры производства "Элконт" типа Е23) и магнитные ловушки 8 на поршне и крышках ГЦ. Их применение практически исключает отказы уплотнений, вызванные попаданием в зоне контакта крупных частиц из рабочей жидкости.

  Не менее важна и защита уплотнения штока от внешних загрязнений и ледяной корки. Традиционные резиновые грязесъемники по ГОСТ 24811-81 недостаточно жестки для скалывания льда и смерзшейся грязи с поверхности штока. Более эффективны жесткие пластмассовые грязесъемники 1 (грязесъемник "Элконт" тип Е50, Е52, Е52-2), особенно при наличии скребковых элементов ("Элконт" тип Е50А, Е50А-2), отводящих загрязнения от штока на торец гидроцилиндра, т.е. исключающие сбор и заклинивание загрязнений в щели между штоком и крышкой гидроцилиндва (2).

  Надежность штоковых уплотнений многократно повышается в гидроцилиндре, в котором предусмотрено вдвинутое положение штока при хранении, транспортировании или нерабочем состоянии машины. Весьма полезны также чехлы и кожухи, защищающие штоки Ггидроцилиндров от ударов камней, как это принято в гидравлических амортизаторах автомобилей.

   В основе недостаточной надежности отечественных гидроцилиндров лежит и бурное их развитие по пути повышения рабочих усилий и ходов, рабочих давлений и энергоемкости, использование новых материалов. В подъемных устройствах стали применять Ггидроцилиндры с ходом более 10 м, общепринятыми стали рабочее давление до 42 МПа, а в гидродомкратах и до 1000 МПа, все чаще применяются цилиндры с диаметром поршня 250 мм и более. Естественно, что запасы прочности и устойчивости гидроцилиндрах в этих условиях, как правило, уменьшаются. Снижается и надежность уплотнений, так как при увеличении диаметров цилиндров и их деформации под давлением увеличиваются зазоры, в которые происходит вдавливание (экструзия) уплотнений.

   Негативное влияние давления и габаритов на надежность гидроцилиндра можно исключить, применяя уплотнения с увеличенной способностью компенсировать радиальные смещения поршня и штока в цилиндре и повышенными запасами по износу и сопротивлению экструзии. Такие уплотнения отличаются увеличенными размерами поперечного сечения и содержат высокопрочные защитные кольца. Весьма эффективно применение многокромочных уплотнений, имеющих несколько барьеров на пути утечки и карманы между ними для удержания смазочного материала и частиц загрязнений. Существенно повышает надежность и герметичность узла  переход от одиночных уплотнений штока к многоступенчатым уплотнительным узлам с резервированием уплотнительных элементов (см. рис.1) (1).

   Широкое распространение получили  закладные опорные кольца из антифрикционных пластмасс (опорнонаправляющие кольца производства "Элконт" типа Е20, Е21, Е22, Е23, Е24) Применение их вместо традиционных бронзовых опор снижает себестоимость и чувствительность гидроцилиндра к загрязненности рабочей жидкости, обеспечивает легкую замену при ремонте, а также увеличивает ресурс уплотнений благодаря полированию штока и гильзы ГЦ при трении.

   Но переход на некачественные пластмассовые опорные кольца может иметь и негативные последствия, которые необходимо учитывать при эксплуатации, да и при проектировании гидроцилиндров:

• увеличение зазора и эксцентриситетов в сопряжениях шток-крышка и поршень-гильза гидроцилиндра ;
• необходимость увеличения ширины опорных поверхностей при применении пластмасс  с невысоким пределом текучести или применение опорно-направляющих элеменов из менее прочных материлов вместо опорно-направляющих элементов фирмы "Элконт" из материала "Армамид" (полиамид, армированный стекловолокном, с повышенным сопротивлением ударным нагрузкам);
• снижение жесткости опор;
• значительное снижение несущей способности опорных колец и ползучесть под нагрузкой при превышении расчетной температуры;
• возможность набухания опорных колец в рабочей жидкости с последующим увеличением силы трения в опорах;
• неспособность опор из обычных (не сверхпрочных) пластмасс воспринимать осевое давление рабочей жидкости от прилегающих к ним уплотнений.

  Применение при ремонте гидроцилиндра литых (а значит подверженных литейной усадке), более дешевых опорно-направляющих элементов , имеющих для собираемости гидроцилиндра достаточно большой допуск на размер и форму поверхности, при ремонте цилиндра  вместо точёных, меющих допуск -0,05, недостижимый при литьевом способе производства ведет к увеличению зазора, эксцентриситетов и прогибов в опорных узлах штока и поршня, что крайне нежелательно, так как способствует перекосам штока в цилиндре и, соответственно, увеличению нагрузок на опоры от рабочей силы гидроцилиндра. Зазоры более 0,3 мм, зачастую уже имеющиеся на литых деталях некоторых производителей изначально, приводят к стукам при реверсе нагрузки в опоре. Одновременно ухудшаются условия работы уплотнений и снижается запас прочности штока по продольным нагрузкам. Именно поэтому заводы-изготовители дорожностроительной техники выбирают на первичную комплектацию оригинальные уплотнения производства "Элконт"

   Для исключения передачи давления от уплотнений 2 на опорные кольца 1 их обычно помещают в отдельные канавки (см. рис.1) с разделительным буртом, имеющим зазор ? относительно поверхности штока или цилиндра. Значение ? должно быть достаточно большим, чтобы исключить касание и возможный задир стальных поверхностей в процессе работы опорных колец, но ограничивается условием антиэкструзионной стойкости уплотнений. Так, для фторопластовых уплотнений при давлении 40 МПа зазор ? не должен превышать 0,2 мм. Обеспечить такие значения (с учетом производственных допусков на сопрягаемые детали, люфты и износ опорных элементов) на практике очень сложно, поэтому в эксплуатации часто наблюдается либо задир рабочих поверхностей ГЦ с последующим катастрофическим изнашиванием уплотнений, либо экструзия уплотнений в зазоры.

   Для исключения таких отказов уплотнений целесообразно использовать защитные кольца из более жестких и прочных материалов, высокопрочные опорные кольца с несущей способностью, соответствующей реальным нагрузкам на опоры штока и поршня. Однако общедоступные методики расчета нагрузок на опоры гидроцилиндры отсутствуют, а в справочной литературе и технических условиях на опорные элементы даны указания лишь по выбору ширины опорных колец в зависимости от общей радиальной нагрузки. В связи с этим представляет интерес, предлагаемый авторами графоаналитический метод построения баланса сил и их моментов в гидроцилиндре (рис.2).

   На рис.3 показаны зависимости моментов внешних продольных Nи поперечных R сил в наиболее нагруженном участке штока (в месте его выхода из цилиндра) от прогиба ? ГЦ на этом же участке, а также зависимость несущей способности элементов ГЦ от ?. На начальном участке (I) кривой несущей способности силы сопротивления изгибу отсутствуют, так как прогиб происходит при выборе люфтов в направляющих штока и поршня и люфтов в посадках поршня на шток и штоковой втулки в гильзе ГЦ. Начальный прогиб включает также кривизну штока и гильзы и сумму эксцентриситетов между осями поверхностей, участвующих в передаче поперечных сил в ГЦ. Дальнейший прогиб ГЦ (участок II) происходит с нарастанием момента внутренних сил сопротивления приблизительно по линейному закону до момента, соответствующего пределу текучести материала штока или опорных узлов штока и поршня. Естественно, что этот предельный момент тем меньше, чем больше осевая сила N, так как напряжения сжатия от силы N накладываются на напряжения изгиба и сумма их не может превышать предел текучести материала штока.

   Момент сил сопротивления в зависимости от прогиба можно рассчитать для каждого конкретного гидроцилиндра по известным формулам сопротивления материалов для балок, нагруженных поперечными силами с учетом дополнительных прогибов в опорах штока и поршня, а также получить экспериментально для участков I и II при испытании ГЦ на поперечный изгиб.

   Момент внешних сил складывается из не зависимых от прогиба ? моментов MR поперечных сил и моментов MT сил трения в шарнирных креплениях под действием силы N, а также пропорционального ? момента MN продольной силы  N. Соответствующая балансу моментов нагрузки и сопротивления точка z пересечения этих кривых определяет фактический прогиб ?z гидроцилинлра и момент MZ при заданных условиях нагружения. По известным значениям MZ и ?z легко определить реактивные силы, возникающие в опорах, и оценить их запасы прочности.

   Зависимости, приведенные на рис.3, позволяют одновременно оценить запасы прочности и устойчивости штока гидроцилиндра при продольном изгибе с учетом реальных сил и деформаций. Увеличивая силу N   до значения N2, при котором нагрузочная и несущая кривые имеют одну точку пересечения, находим предельные значения продольной нагрузки N2 и запас N2/N1. Кроме того, по зависимостям легко определить влияние люфтов, эксцентриситетов и поперечных сил на запас прочности и, следовательно, оценить надежность ГЦ в процессе эксплуатации.
  
   Приведенные результаты анализа причин недостаточной надежности гидроцилиндров, рекомендации по их устранению и методика расчета должны способствовать повышению их качества при проектировании, производстве и ремонте, а также могут быть распространены на идентичные по конструкции изделии – гидроамортизаторы и гидродемпферы, объемы производства которых в России гораздо выше, чем ГЦ.

Список литературы:

1. Овандер В.Б. Высоконадежные методы и средства герметизации гидропневмосмазочных систем в станкостроении. М.: ВНИИТЭМР. 1986. 64с.
2. Кондаков Л.А., Голубев А.И., Гордеев  В.В. и др. Уплотнения и уплотнительная техника: Справочник. 2-е изд. М.: Машиностроение. 1994, 448с.
3. Уплотнения от ЭЛКОНТа, Приводная техника, 1996. №0. С.28.