Динамическое применение уплотнительных колец

Динамическое применение уплотнений лучше всего описывается как соединение, в котором есть движение между аппаратным компонентом и уплотнительным элементом. Это движение может быть возвратно-поступательным, вращательным или колебательным. В случае уплотнения штока клапана, оно также может быть комбинацией более чем одного типа.

Давайте рассмотрим динамическое применение и пройдемся по некоторым наиболее распространенным однокомпонентным высокоэластичным уплотнениям.

Поршневые уплотнения

Поршневые уплотнения используются в соединениях, связанных с движущимся поршнем и/или плунжером, штоком. Такие уплотнения являются преобладающими в динамическом применении уплотнительных колец.

Для достижения оптимальной производительности поршневых уплотнений, вы должны принять во внимание несколько факторов.

Выбор резиновой смеси для циклических тепловых нагрузок

Термический цикл от высокой (37 °С и выше) до низкой (-40 °С и ниже) температуры может вызвать деформацию уплотнительного кольца при сжатии на повышенных температурах или не достаточный отскок при низких температурах, чтобы обеспечить герметичное уплотнение. Утечки уплотнительных колец склонны происходить при низком давлении и возвратно-поступательном движении механизмов. Поэтому, когда ожидаются экстремальные операционные тепловые циклы, рекомендуется определить резиновую смесь для уплотнительных колец, показатели которой превышают, а не просто соответствуют требуемому температурному диапазону, показателям остаточной деформации при сжатии и упругости.

Ударное давление

При внезапной остановке и работе на высоких нагрузках, гидравлические компоненты могут создавать давление в системе, превышающее возможности уплотнения на сопротивление экструзии. Чтобы предотвратить экструзию и, в конечном счете, разрушение уплотнительного кольца, резкие скачки давления следует предусматривать как при выборе уплотнения, так и в конструкции системы. По мере необходимости, аккумуляторы или клапаны сброса давления, должны быть встроены в гидравлическую систему. Использование опорных колец или увеличение твердости уплотнения также можно использовать для предотвращения экструзии уплотнительного кольца.

Сжатие

Более низкие показатели процента сжатия уменьшают трение, но ценой будет возможная утечка в условиях низкого давления. Более высокие показатели увеличивают трение и возможности уплотнения, но при этом приводят к трудностям при сборке, более быстрому износу уплотнения и увеличенному потенциалу спирального сбоя.

Роторные уплотнения

Роторное применение уплотнений – когда вращающийся вал проходит через внутренний диаметр компонента уплотнения. Наиболее важными факторами, которые необходимо учитывать при уплотнении в роторных конструкциях являются рабочая температура, фрикционное теплообразование, растяжение и сжатие уплотнения, механическая обработка вала и втулки.

Рабочая температура

Уплотнения вращающихся валов не рекомендуются применять при рабочих температурах ниже -40°С или выше + 120°С. Чем ближе среда применения к комнатной температуре, тем дольше уплотнительное кольцо может эффективно выполнять свою работу.

Фрикционное теплообразование

Роторное применение уплотнений неизбежно приводит к генерированию тепла от трения рабочих поверхностей. Предполагается, что уплотнение должно быть сделано из резиновой смеси, которая имеет высокие показатели термостойкости и минимальные показатели трения. В основном для роторных уплотнений используются резиновые смеси с внутренней смазкой.

Растяжение

В роторных уплотнениях растяжения внутреннего диаметра должны быть устранены путем проектирования валов диаметром не больше, чем внутренний диаметр уплотнителя в свободном (расслабленном) состоянии. Уплотнения валов в случае ротационного или колебательного движения должны быть разработаны без растяжения на вал. Когда эластомер подвергается натяжению и температура повышается, он сжимается, а не расширяется, что увеличивает нагрев и дополнительное сжатие вплоть до повреждения уплотнения. Это сжатие эластомера из-за повышенной температуры известно как эффект Гоу-Джоуля.

Сжатие

В большинстве случаев применения вращающихся валов, сжатие уплотнительного кольца должно быть сведено всего лишь до 0,05 мм при использовании уплотнительного кольца с внешним диаметром на 5% больше, чем сопровождающей втулки. После установки, периферическое сжатие приводит внутренний диаметр кольца к легкому контакту с поворотным валом. Такая конструкция минимизирует теплообразование от трения и продлевает срок службы уплотнения.

Дизайн втулки для динамических уплотнений (уплотнительное кольцо круглого и X-образного сечения) Обработка

Чтобы свести к минимуму преждевременный износ и разгерметизацию, аппаратные поверхности, которые контактируют с уплотнением при монтаже и эксплуатации системы должны быть подготовлены надлежащим образом. Подготовка состоит из соответствующего подбора материалов, а также оптимальной обработки поверхности.

Для предотвращения выдавливания или высечки уплотнения лучше всего подходят прямоугольные канавки. Для давлений до 10,34 МПа наклон боковой стороны в 5° являются приемлемым. Такие пазы легче производить или формировать. Сгладив все острые углы примерно на 0,05 мм можно избежать ненужных порезов или зазубрин уплотнения во время монтажа и эксплуатации.

Обработка поверхности (поршневые уплотнения)

Поверхность не должна быть сильно полированной, так как она не будет сохранять необходимую смазку. Наиболее подходящая шероховатость поверхности металла для динамических уплотнений составляет от 0,254 до 0,508 микрон. Дробеструйная или электро-полированная поверхность идеально подходит, так как она обеспечивает небольшие карманы в металле для улавливания смазочных материалов. Лучшая поверхность — шлифованная, вороненая или твердо хромированная. Более мягкие металлические поверхности, такие как алюминий или медь, как правило, не используют для динамического применения, если они не имеют жесткую гальванизированную поверхность.

Уплотнительные кольца круглого сечения

Кольца круглого сечения являются самым распространенным типом уплотнения. Круглое сечение является экономичным в изготовлении и обеспечивает двунаправленное уплотнение, которое легко установить. При правильном применении уплотнительное кольцо будет хорошо функционировать в самых динамичных компонентах. Круглое сечение обеспечивает точечную нагрузку — начальное сжатие производит минимальную площадь поверхности контакта.

Так как уплотнительное кольцо имеет круглое поперечное сечение, оно будет иметь тенденцию к вращению или прокручиванию в системах с длинным ходом поршня. Это происходит в сухих условиях, когда силы трения между уплотнением и движущимся компонентом выше, чем в контакте со стенками втулки.

Уплотнительные кольца X-образного сечения

Х-образное кольцо может также называться квадрингом. Поперечное сечение аналогично четырехлистному клеверу. Как и кольца круглого сечения, Х-кольцо представляет собой компрессионное уплотнение. Когда происходит первоначальное сжатие, есть две сплошные полосы уплотнения в поперечном сечении. Поперечное сечение X-кольца является более стабильным, чем у уплотнительного кольца круглого сечения, поэтому рекомендуется для применения в системах с более длинным ходом поршня, или там, где более широкий отпечаток основания уплотнения является преимуществом.

Уплотнительные кольца прямоугольного сечения

Как и предыдущие типы уплотнительных колец, это компрессионное уплотнение. Тем не менее, первоначальное сжатие производит полосу компрессии по всей контактной поверхности. Большая площадь соприкосновения, и в результате — трения, не делает этот тип уплотнения хорошим выбором для динамического применения.

Манжеты

Есть много вариантов манжет. Манжета представляет собой однонаправленное уплотнение. В отличие от вышеупомянутых уплотнительных колец, манжета не является компрессионным уплотнением.
Лучшие образцы манжет имеют поперечное сечение, которое является более прямоугольным, чем квадратным. Это обеспечивает лучшую стабильность при длинном ходе поршня и в потенциально сухих средах. Поскольку манжеты «заряжаются» давлением, уплотнение может быть сделано из резиновой смеси более твердой с высоким модулем упругости, которая имеет отличную стойкость к истиранию и износостойкость.

Сравнение площади контакта и геометрии уплотнения

Обратите внимание, динамические уплотнения дают утечки. Важно знать, насколько критична будет утечка в процессе применения уплотнения, а также вносить коррективы конструкции соответствующим образом. Трение, износ, способности уплотнения, экструзии, и стабильность являются основными характеристиками, которые принимаются во внимание при оценке динамического применения уплотнения.

Основы динамических уплотнений Трение

Для уменьшения трения нужно сделать следующее:
Уменьшить сжатие
Снизить отделку поверхности
Увеличить количество смазки
Уменьшить площадь поверхности контакта
Снизить давление
Увеличить скорость движения

Износ

Срок службы уплотнения находится под влиянием следующих факторов:
Выбор материала
Поверхность оборудования
Наличие смазки

Герметичность

Для улучшения герметичности, попробуйте выполнить следующие действия:
Увеличить сжатие
Увеличить площадь поверхности контакта
Повысить давления
Выбрать геометрию сжатия уплотнения по конструкции манжеты

Экструзия

Действия, направленные на снижение экструзии уплотнения:
Сокращение экструзионного зазора
Увеличение твердости
Снижение давления

Стабильность

В целях повышения стабильности нужно выбирать геометрию уплотнения с некруглым поперечным сечением