Влияние гидравлических уплотнений на надёжность гидропривода

Одним из важных компонентов любого гидропривода являются уплотнения неподвижных и подвижных деталей, нагруженных давлением рабочей жидкости.

Когда гидравлическое уплотнение разделяет полости высокого и низкого давления какого-либо гидравлического устройства, предотвращаются внутренние перетечки рабочей жидкости. Благодаря этому повышается коэффициент полезного действия машины, меньше нагревается рабочая жидкость, сохраняется величина скорости исполнительных органов.

Если уплотнение отделяет какую-либо полость гидроаппарата от атмосферы, то оно предотвращает наружные утечки, которые, помимо безвозвратных потерь рабочей жидкости, вредят окружающей среде.

Куда устанавливаются гидроуплотнения

Гидравлические уплотнения устанавливаются в специальные канавки, выполненные на поверхностях сопрягаемых деталей, например, на плоскостях разъемов (торцевые уплотнения) или на цилиндрических поверхностях тел вращения (радиальные уплотнения).

Контроль за соблюдением стандартов при изготовлении гидравлических устройств обеспечивает надежность изделия. Вместе с повышением допускаемых в процессе работы уровней давления и скоростей относительного перемещения подвижных деталей повышается и роль уплотнений в обеспечении надежности машины с гидроприводом.

Резиновые гидравлические кольца

В первые годы применения гидропривода в строительных машинах, когда рабочее давление не превышало 6 МПа и даже когда оно достигло величины 10 МПа, нужную герметичность вполне обеспечивали резиновые гидравлические кольца круглого (ГОСТ 9833) или прямоугольного сечения.

Для уплотнения подвижных деталей чаще использовались резиновые манжеты (ГОСТ 14896).

При монтаже уплотнения в канавку оно несколько деформируется, так как глубина канавки меньше толщины уплотнения (диаметра поперечного сечения). В направлении деформации выбираются все зазоры между уплотняемыми поверхностями, уплотнение прижимается с некоторым усилием.

При включении устройства в работу давление жидкости прижимает уплотнение к стенке канавки перпендикулярно первоначальной деформации и стремится выдавить уплотнение в имеющийся зазор между сопрягаемыми деталями.

Уплотнение резиновым кольцом ведет себя как очень вязкая жидкость. Если в уплотнении возникают напряжения, достаточные для сдвига материала и выдавливания его в зазор вплоть до механического разрушения, то герметичность соединения нарушается со всеми вытекающими последствиями.

Какой материал лучше?

В дальнейшем с увеличением уровня применяемого в гидроприводе давления до 16 МПа, 25 МПа и 32 МПа, что оправдано уменьшением габаритов и веса всех гидроаппаратов, требования к гидравлическим уплотнениям сильно возросли.

В качестве материала уплотнений стали применять различные полимеры, фторопласт, полиуретан, полиэфиры и другие. Модуль их упругости во много раз выше, чем у резины, а коэффициент трения по стали в несколько раз меньше.

Важность низкого коэффициента трения обусловлена не только тем, что уменьшаются потери энергии на механическое трение и увеличивается коэффициент полезного действия машины, но и продлевается жизнь самого уплотнения. Особенно это важно в изделиях, в которых необходимы высокие относительные скорости уплотняемых поверхностей, например, в гидравлических молотах.

В этих машинах скорости скольжения уплотнений бойка достигают 8-9 м/с. При больших скоростях скольжения уплотнений, нагруженных высоким давлением, на рабочих кромках в ограниченном пространстве выделяется большое количество тепла, которое может привести к возникновению критических температур.

Чтобы обеспечить необходимую теплопроводность, уплотнения изготавливаются из композитных материалов на основе фторопласта с металлическими и коксовыми наполнителями. Снижению сил трения между уплотнением и подвижной деталью и продлению ресурса уплотнения способствует высокая чистота обработки трущейся поверхности детали, достигаемая шлифованием, полированием и нанесением гальванического покрытия или эпилама.

На первых образцах гидромолотов, разработанных в 70-х годах прошлого века, была попытка применить уплотнения, заимствованные из авиационной промышленности. Эти уплотнения представляли собой комбинацию из фторопластовой манжеты, в поперечном сечении похожей на швеллер, в которую монтируется резиновое кольцо круглого сечения.

Резиновое кольцо обеспечивало предварительное прижатие манжеты к штоку. Скольжение манжеты по штоку происходило длинной стороной швеллера, толщина которой составляла всего 0,2 мм. Оказалось, что чистота поверхности уплотняемого штока после шлифования не обеспечивала достаточную долговечность манжеты, которая протиралась насквозь довольно быстро.

Комбинированные уплотнения

В настоящее время с большим успехом применяются комбинированные уплотнения, в которых полимерная манжета (уплотняющее кольцо) прижимается к штоку резиновым кольцом круглого сечения (см. рисунок слева), но толщина манжеты составляет 2...2,5 мм, а на ее уплотняющей поверхности выполнен выступ — зубчик.

Манжета входит в контакт со штоком сначала специальным зубчиком, а не всей своей поверхностью. Достаточно высокие контактные напряжения в области зубчика обеспечивают высокую герметичность. А низкий коэффициент трения и высокая теплопроводность материала манжеты позволяют применять такие уплотнения, как утверждают фирмы-изготовители, при скоростях скольжения до 10...15м/с и при давлениях рабочей жидкости 20...40 МПа в зависимости от зазора между уплотняемыми деталями.

Подобные уплотнения производят многие зарубежные фирмы, например, Busak-Shamban, Hansa Flex, Polypac, Parker, Merkel, Simrit и другие. В России такие уплотнения изготавливают фирмы ЭЛКОНТ и RGC.

Обычно фирмы-изготовители рекомендуют устанавливать последовательно два таких уплотнения, объясняя это тем, что якобы небольшое количество просочившейся жидкости через первое уплотнение задерживается вторым и возвращается снова в гидросистему при сбросе давления. Однако, по нашему мнению, такое утверждение преследует лишь цель увеличения количества продаж. Последовательная установка второго уплотнения любой конструкции из любого материала только увеличивает потери на трение, но не приводит к заметному увеличению надежности узла уплотнения.

Опыт показывает, что установка только одного уплотнения обеспечивает нужную герметичность и надежность этого узла. При установке двух уплотнений имеет смысл соединить пространство между ними с линией слива, чтобы обеспечить хорошую смазку второго уплотнения и создать ему более щадящие условия работы (маленькое давление).

Тогда после исчерпания ресурса первого уплотнения, нагруженного рабочим давлением, когда оно уже не обеспечивает абсолютную герметичность, второе уплотнение, нагруженное только низким давлением сливной линии, позволит продлить работоспособность машины. Может быть, с некоторым уменьшением объемного КПД, которое визуально ощущаться не будет.

Большое значение для обеспечения надежности уплотнений имеет защита их от пиков давления, которые могут возникать в демпферных камерах в конце хода цилиндров, перемещающих большие массы с большой скоростью.

Быстрое торможение в конце хода цилиндра вызывает существенное повышение давления в демпферной камере по сравнению с номинальным рабочим давлением.

Защита уплотнений

Мы расскажем вам, как целесообразно организовать защиту уплотнений.

Между канавкой, в которой размещено уплотнение штока, и демпферной камерой цилиндра необходимо предусмотреть в опорной втулке разгрузочную канавку, соединенную с напорной линией. В этом случае эпюра давления в зазоре между опорной втулкой и штоком будет линейно изменяться от повышенного давления в демпферной камере до рабочего давления в разгрузочной канавке.

Следовательно, уплотнение будет нагружено давлением, равным давлению в разгрузочной канавке, то есть номинальным рабочим давлением. Можно, конечно, соединить разгрузочную канавку с линией слива, но тогда, если демпфирование не происходит, а полость цилиндра нагружена рабочим давлением, часть расхода рабочей жидкости будет непроизводительно уходить через разгрузочную канавку на слив, уменьшая КПД машины.

Обратимся к истории

В 80-х годах прошлого века в Сибирском автомобильно-дорожном институте для герметизации гидравлических устройств, работающих при давлениях рабочей жидкости, измеряемых десятками МПа, были разработаны экспериментальные упругодеформируемые металлические уплотнения штоков.

Такое уплотнение представляло собой тонкостенную металлическую цилиндрическую оболочку определенной длины, выполненную из бронзы или другого материала с низким коэффициентом трения по стали. Один конец оболочки, обращенный в сторону низкого давления, жестко и герметично соединен с направляющей втулкой штока.

Толщина оболочки составляла 0,3...0,6 мм, а величина зазора между штоком и уплотнением (оболочкой) до 0,04 мм. В работе на наружную поверхность оболочки действует равнораспределенное по длине оболочки давление Ризб. При малых значениях этого давления изнутри на стенку оболочки действует убывающее по длине зазора начальное давление Р1 нач. Результирующее давление линейно возрастает от свободного конца к основанию оболочки.

Стенка оболочки упруго деформируется под давлением жидкости. Наибольшая деформация достигается вблизи основания оболочки. Зазор уменьшается с ростом избыточного давления вплоть до контакта с уплотняемым штоком. Стендовые испытания упругодеформируемого металлического уплотнения показали, что достигается значительно более высокая герметичность трущейся пары в сравнении с бесконтактным щелевым уплотнением (притертой парой с диаметральным зазором 0,015...0,020).

Работоспособность уплотнения измерялась миллионами циклов нагружения. К сожалению, насколько нам известно, отсутствие отработанной технологии изготовления, заинтересованности промышленных предприятий, а также информационной поддержки не позволило авторам работы осуществить внедрение в серийное производство.

Значение гидроуплотнений

Поскольку всякий выход из строя гидравлических уплотнений требует перерывов в эксплуатации машины с гидроприводом, частичной разборки каких-то узлов, то очевидна важность этого компонента для обеспечения надежной работы изделия.

Еще на стадии проектирования важно правильно оценить все условия работы уплотнения: максимальное давление рабочей жидкости, в том числе от возможных реактивных и инерционных нагрузок, скорость скольжения, температурный режим. И только после этого подобрать по каталогам соответствующее уплотнение.

Необходимо обеспечить защиту уплотнений конструктивными методами от пиков давления, которые могут возникнуть при внештатных ситуациях. Далее при изготовлении изделия надо обеспечить соблюдение технических требований, предъявляемых к местам установки уплотнений. Наконец, в эксплуатации соблюдать требования, предписанные в руководстве на соответствующее изделие.

Для успешной эксплуатации машины с гидроприводом целесообразно иметь под рукой ремкомплект, содержащий всю номенклатуру уплотнений, применяемых в данной машине.